KR20110042259A - High energy lithium ion secondary batteries - Google Patents

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KR20110042259A
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제임스 피. 버클리
수지트 쿠마르
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엔비아 시스템즈 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 실온에서 그리고 중간 방전 속도에서 사이클링시 높은 전체 에너지, 에너지 밀도 및 방전 비용량을 갖는 리튬 이온 2차 배터리에 관한 것이다. 향상된 배터리는 고 에너지 용량을 갖는 양극 물질의 높은 적재량을 기초로 하고 있다. 이러한 용량은 높은 밀도에서 성능을 희생시키는 일 없이 전극 내에 적재될 수 있고, 매우 높은 비 에너지 용량을 갖는 양극 활성 물질의 개발을 통해 달성된다. 800,000 원자량 단위 이상의 평균 분자량을 갖는 중합체 결합제를 사용하여 배터리 내에 양극 물질의 높은 적재를 용이하게 한다.The present invention relates to a lithium ion secondary battery having a high total energy, energy density and discharge specific capacity when cycling at room temperature and at an intermediate discharge rate. Advanced batteries are based on high loadings of positive electrode materials with high energy capacity. This capacity can be loaded into the electrode at high density without sacrificing performance and is achieved through the development of a positive electrode active material having a very high specific energy capacity. Polymeric binders having an average molecular weight of at least 800,000 atomic weight units are used to facilitate high loading of the positive electrode material in the battery.

Description

고 에너지 리튬 이온 2차 배터리{HIGH ENERGY LITHIUM ION SECONDARY BATTERIES}High energy lithium ion secondary battery {HIGH ENERGY LITHIUM ION SECONDARY BATTERIES}

관련 출원의 상호 참조Cross Reference of Related Application

본 특허 출원은 "고 에너지 리튬 이온 2차 배터리(High Energy Lithium Ion Secondary Batteries)"를 발명의 명칭으로 하는 Buckley 등의 동시계류 중인 미국 특허 출원 연속 번호 제12/403,521호(2009년 3월 13일 출원) 및 "고 에너지 리튬 이온 2차 배터리(High Energy Lithium Ion Secondary Batteries)"를 발명의 명칭으로 하는 Buckley 등의 미국 가 특허 출원 연속 번호 제61/124,407호(2008년 4월 16일 출원)를 우선권 주장의 기초 출원으로 하여 특허 청구한 것이고, 이들 출원은 본 명세서에 참고 인용되어 있다.This patent application discloses US Patent Application Serial No. 12 / 403,521, co-pending to Buckley et al. Entitled “High Energy Lithium Ion Secondary Batteries” (March 13, 2009). And US Patent Application Serial No. 61 / 124,407 (filed April 16, 2008) to Buckley et al., Entitled " High Energy Lithium Ion Secondary Batteries. &Quot; It is claimed as a basic application of priority claims, and these applications are incorporated herein by reference.

발명의 분야Field of invention

본 발명은 생성된 배터리에 특히 고 방전 에너지 밀도(discharge energy density)를 제공하는 배터리 배치에서 고 에너지 양극 물질을 갖는 리튬 이온 2차 배터리에 관한 것이다. 본 발명은 또한 고 에너지 리튬 이온 2차 배터리를 형성시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium ion secondary battery having a high energy positive electrode material in a battery arrangement which provides a particularly high discharge energy density to the resulting battery. The invention also relates to a method of forming a high energy lithium ion secondary battery.

리튬 배터리는 이의 비교적 높은 에너지 밀도로 인해 소비자 가전에서 폭넓게 사용되고 있다. 재충전가능한 배터리는 또한 2차 배터리로도 언급되고, 리튬 이온 2차 배터리는 일반적으로 리튬을 층간삽입하는 음극 물질을 갖는다. 현재 상용 중인 일부 배터리의 경우, 음극 물질은 흑연일 수 있고, 양극 물질은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)을 포함할 수 있다. 실제로는, 단지 캐소드의 이론적 용량(capacity)의 대략 50%로서, 예를 들어 대략 140 밀리암페어 시간/g(mAh/g)만 이용될 수 있다. 2가지 이상의 다른 리튬계 캐소드 물질이 또한 현재 상용 중에 있다. 그러한 2가지의 물질은 스피넬형(spinel) 구조를 갖고 있는 LiMn2O4 및 올리빈형(olivine) 구조를 갖고 있는 LiFePO4이다. 그러한 다른 물질들은 에너지 밀도에 어떠한 유의적인 향상도 제공하지 못한다.Lithium batteries are widely used in consumer electronics because of their relatively high energy density. Rechargeable batteries are also referred to as secondary batteries, and lithium ion secondary batteries generally have a negative electrode material that intercalates lithium. For some batteries currently in use, the negative electrode material may be graphite and the positive electrode material may include lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ). In practice, as only about 50% of the theoretical capacity of the cathode, for example only about 140 milliamp hours / g (mAh / g) can be used. Two or more other lithium-based cathode materials are also currently in use. Two such materials are LiMn 2 O 4 with spinel structure and LiFePO 4 with olivine structure. Such other materials do not provide any significant improvement in energy density.

리튬 이온 배터리는 일반적으로 이의 용도를 기초하여 2가지 부류로 분류되고 있다. 제1 부류는 고 전력 배터리를 수반하여 리튬 이온 배터리 전지가 전동 공구 및 하이브리드 전기 자동차과 같은 용도를 위해 고 전류(암페어)를 전달하도록 설계되어 있는 부류이다. 하지만, 설계상, 그러한 배터리 전지는 에너지를 낮추게 되는데 그 이유는 일반적으로 고 전류를 제공하지만 구조가 전지로부터 전달될 수 있는 전체 에너지를 감소시키기 때문이다. 제2 설계 부류는 고 에너지 전지를 수반하여 리튬 이온 배터리 전지가 보다 높은 전체 에너지를 전달하는 휴대 전화, 랩톱 컴퓨터, 전기 자동차(EV) 및 플러그 인 하이브리드 전기 자동차(PHEV)와 같은 용도를 위해 저 전류 내지 중간 전류(암페어)를 전달하도록 설계되어 있는 부류이다.Lithium ion batteries are generally classified into two classes based on their use. The first class is a class in which lithium ion battery cells carry high power batteries and are designed to carry high currents (amps) for applications such as power tools and hybrid electric vehicles. However, by design, such battery cells lower energy because they generally provide high current but the structure reduces the overall energy that can be delivered from the cell. The second class of designs involves low energy for applications such as mobile phones, laptop computers, electric vehicles (EVs), and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), in which lithium ion battery cells carry higher total energy with high energy cells. To intermediate currents (amps).

발명의 개요Summary of the Invention

제1 측면에서, 본 발명은 양극 활성 물질 및 결합제를 포함한 양극, 제1 리튬 층간삽입(intercalation) 조성물을 포함한 음극, 리튬 이온을 포함한 전해질, 및 양극과 음극 사이의 세퍼레이터를 포함하는 리튬 이온 2차 배터리에 관한 것이다. 일부 구체예에서, 배터리는 4.6 V에서 2.0 V로 방전되는 경우 약 240 Wh/kg 이상의 방전 에너지 밀도를 갖는다. 배터리 양극의 양극 활성 물질은 제2 리튬 층간삽입 조성물을 포함하고 있다. 배터리의 양극은 양극 활성 물질 약 92 중량% 이상을 포함할 수 있다. 양극 활성 물질은 화학식 xLiMO2·(1-x)Li2M'O3으로 표시되는 제2 리튬 층간삽입 조성물을 포함하며, 여기서 M은 하나 이상의 3가 금속 이온이고, 하나 이상의 금속 이온은 Mn+3, Co+3 또는 Ni+3이며, M'은 +4의 평균 원자가를 갖는 하나 이상의 금속 이온을 나타내며, 0<x<1다. 일부 구체예에서, 제2 리튬 층간삽입 조성물은 코팅으로서 약 0.1 몰%∼약 10 몰%의 금속 플루오르화물을 추가로 포함할 수 있다. 추가의 구체예에서, 배터리의 양극은 제2 리튬 층간삽입 조성물과 별개로 약 0.1∼5 중량%의 전기 전도성 물질 및 약 0.5∼7.9 중량%의 중합체 결합제를 포함할 수 있다. 이 중합체 결합제는 약 800,000 원자량 단위 이상의 평균 분자량을 갖는 중합체를 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 배터리의 음극은 집전체의 단면 상에 약 65 미크론∼약 200 미크론의 두께를 갖는다. 추가 구체예에서, 배터리는 적어도 약 250 Wh/kg∼550 Wh/kg의 방전 에너지 밀도를 가질 수 있다. 배터리는 약 550 Wh/l 이상의 용적 방전 에너지 밀도(volumetric discharge energy density)를 가질 수 있다.In a first aspect, the present invention provides a lithium ion secondary comprising a positive electrode comprising a positive electrode active material and a binder, a negative electrode comprising a first lithium intercalation composition, an electrolyte comprising lithium ions, and a separator between the positive electrode and the negative electrode It is about a battery. In some embodiments, the battery has a discharge energy density of about 240 Wh / kg or more when discharged from 4.6 V to 2.0 V. The positive electrode active material of the battery positive electrode comprises a second lithium intercalation composition. The positive electrode of the battery may comprise at least about 92% by weight positive electrode active material. The positive electrode active material comprises a second lithium intercalating composition represented by the formula xLiMO 2 · (1-x) Li 2 M'O 3 , wherein M is one or more trivalent metal ions and one or more metal ions is Mn + 3 , Co +3 or Ni +3 , M 'represents one or more metal ions having an average valence of +4, where 0 <x <1. In some embodiments, the second lithium intercalation composition may further comprise from about 0.1 mol% to about 10 mol% metal fluoride as a coating. In a further embodiment, the positive electrode of the battery may comprise about 0.1 to 5 wt% of the electrically conductive material and about 0.5 to 7.9 wt% of the polymeric binder separately from the second lithium intercalation composition. This polymeric binder may include a polymer having an average molecular weight of at least about 800,000 atomic weight units. In some embodiments, the negative electrode of the battery has a thickness of about 65 microns to about 200 microns on the cross section of the current collector. In further embodiments, the battery may have a discharge energy density of at least about 250 Wh / kg to 550 Wh / kg. The battery may have a volumetric discharge energy density of at least about 550 Wh / l.

제2 측면에서, 본 발명은 양극, 제1 리튬 층간삽입 조성물을 포함한 음극 및 양극과 음극 사이의 세퍼레이터를 포함하는 리튬 이온 2차 배터리로서, 상기 양극은 약 92 중량% 이상의 양극 활성 물질, 약 0.1∼5 중량%의 전기 전도성 물질 및 약 0.5∼7.9 중량%의 중합체 결합제를 포함하는 것인 리튬 이온 2차 배터리에 관한 것이다. 일부 구체예에서, 배터리의 양극 활성 물질은 화학식 xLiMO2·(1-x)Li2M'O3으로 표시되는 제2 리튬 층간삽입 조성물을 포함하며, 여기서 M은 하나 이상의 3가 금속 이온이고, 하나 이상의 금속 이온은 Mn+3, Co+3 또는 Ni+3이며, M'은 +4의 평균 원자가를 갖는 하나 이상의 금속 이온을 나타내며, 0<x<1다. 임의의 불소 도펀트는 경우에 따라 제2 리튬 층간삽입 조성물의 화학식 내 약 1 원자% 이하의 산소를 치환할 수 있다. 배터리의 양극은 약 2.5 g/㎖ 이상의 밀도를 갖는다. 일부 다른 구체예에서, 제2 리튬 층간삽입 조성물은 화학식 Li1 + xNiαMnβCoγO2로 표시되고, 여기서 x는 약 0.05∼약 0.25의 범위이며, α는 약 0.1∼약 0.4의 범위이고, β는 약 0.4∼약 0.65의 범위이며, 그리고 γ는 약 0.05∼약 0.3의 범위이다. 일부 구체예에서, 양극 물질은 코팅으로서 약 1.0 몰%∼약 10 몰%의 금속 플루오르화물을 추가로 포함할 수 있다. 일 구체예에서, 금속 플루오르화물 코팅은 AlF3을 포함한다. 일부 구체예에서, 양극 활성 물질의 제2 리튬 층간삽입 조성물은 화학식 Li1 + xNiαMnβCoγM"δO2 -z/2Fz로 표시되고, 여기서 x는 약 0.05∼약 0.25의 범위이며, α는 약 0.1∼약 0.4의 범위이고, β는 약 0.4∼약 0.65의 범위이며, γ는 약 0.05∼약 0.3의 범위이고, δ는 약 0∼약 0.1의 범위이며, z는 약 0∼약 0.1의 범위이고, M"은 Mg, Zn, Al, Ga, B, Zr, Ti, Ca, Ce, Y, Nb 또는 이들의 조합물이다. 배터리의 음극은 흑연, 합성 흑연, 경질 탄소, 흑연 코팅된 금속 호일, 코크스 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 배터리의 세퍼레이터는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 세라믹-중합체 복합재 또는 이들의 조합물을 포함한다. 구체적으로는, 세퍼레이터는 폴리에틸렌-폴리프로필렌-폴리에틸렌의 3중층 막을 포함할 수 있다. 또한, 양극의 전기 전도성 물질은 흑연, 카본 블랙, 금속 분말, 금속 섬유 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 양극의 중합체 결합제는 폴리비닐리딘 플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아크릴레이트, 에틸렌-(프로필렌-디엔 단량체)공중합체(EPDM) 및 이들의 혼합물 및 공중합체를 포함할 수 있다. 구조와 관련하여, 배터리는 케이싱 내에 세퍼레이터에 의해 분리된 각각 극성을 지닌 복수의 전극을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 배터리의 전극 및 세퍼레이터는 케이싱의 내부에 적층(stacked), 젤-롤링(jelly-rolled) 또는 폴딩(folded)될 수 있다. 일반적으로, 배터리의 케이싱은 중합체 필름, 금속 호일, 금속 캔 또는 이들의 조합물을 포함한다. 예를 들면, 배터리의 케이싱은 프리즘 형상 또는 원통 형상일 수 있다. 일부 구체예에서, 본원에 기술된 배터리는 4.6 V에서 2.0 V로 방전되는 경우 약 250 Wh/kg 이상의 방전 에너지 밀도를 갖는다.In a second aspect, the invention provides a lithium ion secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode comprising a first lithium intercalation composition, and a separator between the positive electrode and the negative electrode, wherein the positive electrode comprises at least about 92% by weight of a positive electrode active material, about 0.1 Lithium ion secondary battery comprising -5 wt% electrically conductive material and about 0.5-7.9 wt% polymer binder. In some embodiments, the positive electrode active material of the battery comprises a second lithium intercalation composition represented by the formula xLiMO 2 · (1-x) Li 2 M'O 3 , wherein M is one or more trivalent metal ions, At least one metal ion is Mn +3 , Co +3 or Ni +3 , and M 'represents at least one metal ion having an average valence of +4, where 0 <x <1. Any fluorine dopant may optionally substitute up to about 1 atomic percent oxygen in the formula of the second lithium intercalation composition. The positive electrode of the battery has a density of about 2.5 g / ml or more. In some other embodiments, the second lithium intercalation composition is represented by the formula Li 1 + x Ni α Mn β Co γ O 2 , wherein x ranges from about 0.05 to about 0.25 and α is from about 0.1 to about 0.4 Β is in the range of about 0.4 to about 0.65, and γ is in the range of about 0.05 to about 0.3. In some embodiments, the positive electrode material may further comprise from about 1.0 mol% to about 10 mol% metal fluoride as a coating. In one embodiment, the metal fluoride coating comprises AlF 3 . In some embodiments, the second lithium intercalation composition of the positive electrode active material is represented by the formula Li 1 + x Ni α Mn β Co γ M ″ δ O 2 -z / 2 F z , wherein x is about 0.05 to about 0.25 Α is in the range of about 0.1 to about 0.4, β is in the range of about 0.4 to about 0.65, γ is in the range of about 0.05 to about 0.3, δ is in the range of about 0 to about 0.1, and z is In the range from about 0 to about 0.1, and M ″ is Mg, Zn, Al, Ga, B, Zr, Ti, Ca, Ce, Y, Nb, or a combination thereof. The negative electrode of the battery may comprise graphite, synthetic graphite, hard carbon, graphite coated metal foil, coke or combinations thereof. In some embodiments, the separator of the battery comprises polyethylene, polypropylene, ceramic-polymer composites or combinations thereof. Specifically, the separator may comprise a triple layer membrane of polyethylene-polypropylene-polyethylene. In addition, the electrically conductive material of the positive electrode may include graphite, carbon black, metal powder, metal fibers or combinations thereof. In some embodiments, the polymeric binder of the positive electrode is polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene oxide, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylate, ethylene- (propylene-diene monomer) copolymer (EPDM) And mixtures and copolymers thereof. In connection with the structure, the battery may comprise a plurality of electrodes each having a polarity separated by a separator in the casing. In some embodiments, the electrodes and separators of the battery may be stacked, gel-rolled, or folded inside the casing. In general, the casing of a battery includes a polymer film, a metal foil, a metal can, or a combination thereof. For example, the casing of the battery may be prismatic or cylindrical. In some embodiments, the battery described herein has a discharge energy density of at least about 250 Wh / kg when discharged from 4.6 V to 2.0 V.

제3 측면에서, 본 발명은 리튬 이온 2차 배터리를 형성시키는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 양극, 음극 및 세퍼레이터를 조립하여 약 240 Wh/kg 이상의 방전 에너지 밀도를 갖는 배터리를 형성시키는 단계를 포함한다. 세퍼레이터는 배터리의 양극과 음극 사이에 삽입되며, 양극은 결합제 및 리튬 층간삽입 조성물을 포함한 양극 활성 물질을 포함한다. 양극 밀도는 약 2.5 그램/밀리리터(g/㎖) 이상이다. 일부 구체예에서, 배터리의 양극은 집전체 상에 결합제를 사용하여 양극 활성 물질을 코팅시킴으로써 형성시킨다. 양극은 약 92 중량% 이상의 양극 활성 물질을 포함할 수 있으며, 리튬 층간삽입 조성물이 화학식 xLiMO2·(1-x)Li2M'O3으로 표시되고, 여기서 M은 하나 이상의 3가 금속 이온이며, 하나 이상의 금속 이온은 Mn+3, Co+3 또는 Ni+3이고, M'은 +4의 평균 원자가를 갖는 하나 이상의 금속 이온을 나타내며, 0<x<1이다. 배터리 양극의 집전체는 금속 호일, 금속 그리드(metal grid), 전신 금속(expanded metal) 또는 금속 폼(metal foam)을 포함할 수 있다. 추가 구체예에서, 배터리 양극의 집전체는 니켈, 알루미늄, 스테인레스 강, 구리 또는 이들의 조합물을 포함한다. 일부 구체예에서, 배터리의 양극은 약 0.1∼5 중량%의 전기 전도성 물질 및/또는 약 0.5∼7.9 중량%의 중합체 결합제를 추가로 포함한다. 배터리 양극의 결합제는 약 800,000 원자량 단위 이상의 평균 분자량을 갖는 중합체를 포함할 수 있다. 추가의 구체예에서, 음극은 집전체의 단면 상에 약 65 미크론∼약 200 미크론의 두께를 갖는다. 일부 구체예에서, 배터리는 4.6 V에서 2.0 V로 방전되는 경우 약 250 Wh/kg 이상의 방전 에너지 밀도를 갖는다.In a third aspect, the present invention relates to a method of forming a lithium ion secondary battery. The method includes assembling a positive electrode, a negative electrode, and a separator to form a battery having a discharge energy density of about 240 Wh / kg or more. The separator is inserted between the positive and negative electrodes of the battery, the positive electrode comprising a positive electrode active material including a binder and a lithium intercalation composition. The anode density is at least about 2.5 grams / milliliters (g / ml). In some embodiments, the positive electrode of the battery is formed by coating a positive electrode active material with a binder on a current collector. The positive electrode may comprise at least about 92% by weight of a positive electrode active material, wherein the lithium intercalation composition is represented by the formula xLiMO 2 · (1-x) Li 2 M'O 3 , where M is one or more trivalent metal ions , At least one metal ion is Mn +3 , Co +3 or Ni +3 , and M 'represents at least one metal ion having an average valence of +4, where 0 <x <1. The current collector of the battery positive electrode may include a metal foil, a metal grid, an expanded metal, or a metal foam. In a further embodiment, the current collector of the battery positive electrode comprises nickel, aluminum, stainless steel, copper or a combination thereof. In some embodiments, the positive electrode of the battery further comprises about 0.1-5 wt% of the electrically conductive material and / or about 0.5-7.9 wt% of the polymeric binder. The binder of the battery positive electrode may include a polymer having an average molecular weight of at least about 800,000 atomic weight units. In further embodiments, the negative electrode has a thickness of about 65 microns to about 200 microns on the cross section of the current collector. In some embodiments, the battery has a discharge energy density of at least about 250 Wh / kg when discharged from 4.6 V to 2.0 V.

제4 측면에서, 본 발명은 양극, 제1 리튬 층간삽입 조성물을 포함한 음극 및 양극과 음극 사이의 세퍼레이터를 포함하는 리튬 이온 2차 배터리에 관한 것이다. 상기 양극은 양극 활성 물질 약 92 중량% 이상, 전기 전도성 물질 약 0.1∼5 중량%, 및 약 800,000 원자량 단위 이상의 평균 분자량을 갖고 PVDF를 포함하는 중합체 결합제 약 0.5∼7.9 중량%를 포함할 수 있다.In a fourth aspect, the present invention relates to a lithium ion secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode including a first lithium intercalation composition, and a separator between the positive electrode and the negative electrode. The positive electrode may comprise from about 92% by weight or more of the positive electrode active material, from about 0.1 to 5% by weight of the electrically conductive material, and from about 0.5 to 7.9% by weight of a polymeric binder comprising PVDF with an average molecular weight of at least about 800,000 atomic weight units.

도면의 간단한 설명Brief description of the drawings

도 1은 컨테이너로부터 분리된 배터리 구조의 개략도이다.1 is a schematic view of a battery structure separated from a container.

도 2는 2.0∼4.6 V의 전압 범위 내에서 C/10의 방전 속도로 사이클링되는 실시예 1에 기술되는 배터리의 제1 사이클 충전/방전 전압 대 비용량(specific capacity) 곡선이다.FIG. 2 is a first cycle charge / discharge voltage versus specific capacity curve of the battery described in Example 1, which is cycled at a discharge rate of C / 10 within a voltage range of 2.0 to 4.6 V. FIG.

도 3은 사이클 수의 함수로서 방전 용량의 변형예를 도시하고 있는 도 2의 배터리에 대한 비용량 대 수명 곡선이다.3 is a specific capacity versus life curve for the battery of FIG. 2 showing a variation of discharge capacity as a function of cycle number.

도 4는 2.0∼4.6 V의 전압 범위 내에서 C/10의 방전 속도로 사이클링되는 실시예 2에 기술되는 코인형 전지 배터리의 제1 사이클 충전/방전 전압 대 비용량 곡선이다.4 is a first cycle charge / discharge voltage versus specific capacity curve of the coin-type battery battery described in Example 2, which is cycled at a discharge rate of C / 10 within a voltage range of 2.0 to 4.6 V. FIG.

도 5a는 실시예 3으로 구성된 파우치형 전지 배터리의 전면 사진이다.5A is a front photograph of a pouch-type battery battery constructed in Example 3. FIG.

도 5b는 실시예 3으로 구성된 파우치형 전지 배터리의 측면의 사진이다.5B is a photograph of the side of a pouch-type battery battery constructed in Example 3. FIG.

도 5c는 실시예 3으로 구성된 파우치형 전지 배터리의 방전 곡선이다.5C is a discharge curve of the pouch-type battery battery constructed in Example 3. FIG.

발명의 상세한 설명Detailed description of the invention

본원에 기술된 구조를 갖는 리튬 이온 배터리는 고도로 높은 전체 에너지 뿐만 아니라 고도로 높은 에너지 밀도를 나타내고, 이 배터리는 특히 낮은 속도 내지 중간 속도 용도에 적당하다. 이러한 배터리는 또한 높은 에너지가(energy value)가 상당한 시간에 걸쳐 유리하게 이용될 수 있도록 하는 우수한 사이클링 특성을 갖고 있다. 향상된 배터리는 부분적으로 고 에너지 용량을 지닌 양극 물질을 기초로 하고 있다. 그러한 고 에너지 용량의 양극 물질을 유리하게 사용하는 본원에 기술된 배터리 구조는 본원에 기술된 고도로 높은 에너지를 실현하도록 제공된다. 구체적으로는, 이 배터리 구조는 양극 활성 물질의 매우 높은 적재량(loading)을 포함할 수 있다. 높은 탭 밀도(tap density)를 갖는 양극 활성 물질을 실현하는 합성 방법의 개발은 양극에 대해 본원에 기술된 높은 적재량을 실현하기 위한 적절한 물질을 제공한다. 게다가, 양극 활성 물질의 매우 높은 적재는 일부 구체예에서 적어도 부분적으로 약 800,000 AMU 이상의 분자량을 갖는 중합체 결합제의 사용을 통해 더욱 용이해질 수 있다. 배터리 전지를 형성시키는 해당 방법은 기술되어 있다. 더욱이, 양극 활성 물질은 고 에너지 밀도에서 전지의 사이클링 특성을 향상시키기 위해 무기 플루오르화물 조성물로 코팅될 수 있거나 도핑될 수 있거나, 또는 코팅 및 도핑될 수 있다. 특히, 향상된 사이클링 성능을 제공하는 무기 코팅은 또한 코팅의 중량이 용량에 직접적으로 기여하는 것은 아니지만 양 전기활성 물질의 전체적인 에너지 밀도를 향상시킬 수 있거나 최소한 유의적으로 감소시키지 않을 수 있다.Lithium ion batteries having the structures described herein exhibit not only high high overall energy but also high high energy densities, which are particularly suitable for low to medium speed applications. Such batteries also have good cycling characteristics that allow high energy values to be advantageously used over a significant time. Advanced batteries are based, in part, on anode materials with high energy capacities. The battery structure described herein that advantageously uses such a high energy capacity positive electrode material is provided to realize the highly high energy described herein. Specifically, this battery structure may comprise a very high loading of the positive electrode active material. The development of synthetic methods to realize positive electrode active materials with high tap density provides a suitable material for realizing the high loadings described herein for positive electrodes. In addition, very high loading of the positive electrode active material may be facilitated through the use of a polymeric binder having, at least in part, a molecular weight of at least about 800,000 AMU. The corresponding method of forming a battery cell is described. Moreover, the positive electrode active material may be coated or doped with an inorganic fluoride composition or coated and doped to improve the cycling characteristics of the cell at high energy density. In particular, inorganic coatings that provide improved cycling performance may also improve or at least not significantly reduce the overall energy density of both electroactive materials, although the weight of the coating does not directly contribute to capacity.

리튬은 1차 및 2차 배터리 모두에서 사용되어 왔다. 리튬 금속의 매력적인 특징은 이 금속의 가벼운 중량 및 최대의 양전성 금속이라는 사실이며, 그러한 특징의 측면은 또한 리튬 이온 배터리에 유리하게 포획될 수 있도록 한다. 금속, 금속 산화물 및 탄소 물질의 특정 형태는 층간삽입 또는 유사 메카니즘을 통해 리튬 이온을 이의 구조에 혼입시키는 것으로 공지되어 있다. 바람직하게 혼합된 금속 산화물은 2차 리튬 이온 배터리에서 양극을 위한 전기활성 물질로서 작용하는 것으로 본원에 추가로 기술된다. 리튬 이온 배터리는 음극 활성 물질이 또한 리튬 층간삽입 물질인 배터리로 언급된다. 리튬 금속 자체가 애노드 또는 음 전기활성 물질로서 사용되는 경우, 생성된 배터리는 일반적으로 리튬 배터리로 간단히 언급된다.Lithium has been used in both primary and secondary batteries. An attractive feature of lithium metal is the fact that it is a light weight and the largest positive metal, and aspects of that feature also allow it to be advantageously captured in lithium ion batteries. Certain forms of metals, metal oxides and carbon materials are known to incorporate lithium ions into their structure through intercalation or similar mechanisms. Preferably the mixed metal oxides are further described herein as acting as an electroactive material for the positive electrode in secondary lithium ion batteries. Lithium ion batteries are referred to as batteries in which the negative electrode active material is also a lithium intercalation material. When lithium metal itself is used as anode or negative electroactive material, the resulting battery is generally referred to simply as lithium battery.

본원에 사용된 양극 활성 물질은 리튬 층간삽입 금속 산화물 조성물을 포함한다. 일부 구체예에서, 리튬 금속 산화물 조성물은 일반적으로 층상 복합 구조(layered composite structure)를 형성하는 것으로 여겨지는 리튬 농후 조성물을 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 배터리의 양극은 약 92 중량% 이상의 양극 활성 물질을 포함할 수 있고, 양극 활성 물질은 화학식 xLiMO2·(1-x)Li2M'O3으로 표시되는 조성물을 포함하며, 여기서 M은 하나 이상의 3가 금속 이온이고, 하나 이상의 금속 이온은 Mn+3, Co+3 또는 Ni+3이며, M'은 +4의 평균 원자가를 갖는 하나 이상의 금속 이온을 나타내며, 0<x<1다. 이러한 물질은 경우에 따라 산소를 치환하는 불소 도펀트 및/또는 코팅으로서 약 0.1 몰%∼약 10 몰%의 금속 플루오르화물을 가질 수 있다. 배터리의 양극은 약 0.1∼약 5 중량%의 전기 전도성 물질 및 약 0.5∼약 7.9 중량%의 중합체 결합제를 추가로 포함할 수 있다.As used herein, the positive electrode active material includes a lithium intercalation metal oxide composition. In some embodiments, the lithium metal oxide composition may comprise a lithium rich composition that is generally believed to form a layered composite structure. In some embodiments, the positive electrode of the battery may comprise at least about 92% by weight of a positive electrode active material, the positive electrode active material comprises a composition represented by the formula xLiMO 2. (1-x) Li 2 M'O 3 , Wherein M is at least one trivalent metal ion, at least one metal ion is Mn +3 , Co +3 or Ni +3 , and M 'represents at least one metal ion with an average valence of +4, where 0 <x < 1 Such materials may optionally have from about 0.1 mol% to about 10 mol% metal fluoride as fluorine dopants and / or coatings for oxygen substitution. The positive electrode of the battery may further comprise about 0.1 to about 5 weight percent of electrically conductive material and about 0.5 to about 7.9 weight percent of a polymeric binder.

일부 구체예에서, 배터리의 음극은 집전체의 단면 상에 약 65 미크론∼약 200 미크론의 두께를 가질 수 있다. 배터리의 음극은 흑연, 합성 흑연, 경질 탄소, 흑연 코팅된 금속 호일, 코크스 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 배터리의 세퍼레이터는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 세라믹-중합체 복합재 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 구체적으로는, 세퍼레이터는 폴리에틸렌-폴리프로필렌-폴리에틸렌 3중층 막으로 될 수 있다. 양극의 전기 전도성 물질은 흑연, 카본 블랙, 금속 분말, 금속 섬유, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.In some embodiments, the negative electrode of the battery may have a thickness of about 65 microns to about 200 microns on the cross section of the current collector. The negative electrode of the battery may comprise graphite, synthetic graphite, hard carbon, graphite coated metal foil, coke or combinations thereof. The separator of the battery may comprise polyethylene, polypropylene, ceramic-polymer composites or mixtures thereof. Specifically, the separator may be a polyethylene-polypropylene-polyethylene triple layer membrane. The electrically conductive material of the anode may comprise graphite, carbon black, metal powder, metal fibers, or combinations thereof.

일반적으로, 중합체 결합제는 통합 구조(integral structure)로서 양극에 함께 분말을 부착시키는데 사용될 수 있다. 양극의 중합체 결합제는 폴리비닐리딘 플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아크릴레이트, 에틸렌-(프로필렌-디엔 단량체) 공중합체(EPDM), 및 이들의 혼합물 및 공중합체를 포함할 수 있다. PVDF 결합제의 경우, 중합체는 약 800,000 AMU 이상의 분자량을 가질 수 있다. 고 분자량 PVDF 중합체의 사용은 물리적으로 안정한 전극을 얻으면서 배터리 성능이 불리하게 변하는 일 없이 양극에 더 높은 분말 적재량을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 일부 상용 구체예에서, 배터리는 일반적으로 그 구조가 케이싱 내에 적층되거나 롤링되도록 세퍼레이터(들)에 의해 분리된 복수의 전극을 포함한다. 배터리의 케이싱은 중합체 필름, 금속 호일, 금속 캔 또는 이들의 조합물일 수 있다. 따라서, 형성된 배터리는 코인형 또는 버튼형 전지 배터리, 원통형 배터리, 프리즘형 배터리 또는 파우치형 전지 배터리일 수 있다.In general, the polymeric binder can be used to attach the powder together to the positive electrode as an integral structure. The polymeric binder of the positive electrode is polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene oxide, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylate, ethylene- (propylene-diene monomer) copolymer (EPDM), and mixtures thereof And copolymers. For PVDF binders, the polymer may have a molecular weight of at least about 800,000 AMU. The use of high molecular weight PVDF polymers has been found to provide higher powder loadings on the positive electrode without adversely changing battery performance while obtaining physically stable electrodes. In some commercial embodiments, the battery generally includes a plurality of electrodes separated by the separator (s) such that the structure is stacked or rolled into the casing. The casing of the battery can be a polymer film, a metal foil, a metal can or a combination thereof. Thus, the battery formed may be a coin or button cell battery, a cylindrical battery, a prismatic battery or a pouch cell battery.

생성된 배터리는 일반적으로 4.6 V에서 2.0 V로 방전되는 경우 약 240 Wh/kg 이상의 방전 에너지 밀도를 가질 수 있다. 일부 구체예에서, 생성된 배터리는 적어도 약 250 Wh/kg∼550 Wh/kg의 방전 에너지 밀도를 가질 수 있다. 추가 구체예에서, 배터리는 약 550 Wh/l 이상의 용적 방전 에너지 밀도를 가질 수 있다. 일부 구체예에서, 생성된 배터리는 적어도 약 650 Wh/l∼1150 Wh/l의 용적 방전 에너지 밀도를 가질 수 있다.The resulting battery typically has a discharge energy density of about 240 Wh / kg or more when discharged from 4.6 V to 2.0 V. In some embodiments, the resulting battery may have a discharge energy density of at least about 250 Wh / kg to 550 Wh / kg. In further embodiments, the battery may have a volumetric discharge energy density of at least about 550 Wh / l. In some embodiments, the resulting battery may have a volumetric discharge energy density of at least about 650 Wh / l to 1150 Wh / l.

본원에 기술된 배터리는 리튬 이온을 포함하는 비-수용성 전해질을 일반적으로 이용하는 리튬 이온 배터리이다. 2차 리튬 이온 배터리의 경우, 리튬 이온은, 음극이 전극으로부터 리튬 이온 방출시 리튬의 산화로부터 전자를 발생시키면서 방전 동안 애노드로서 작용하도록, 방전 동안 음극으로부터 방출된다. 상응하게, 양극은 양극이 전자를 소비하여 리튬 이온을 중화시키는 캐소드로서 작용하도록 방전 동안 층간삽입 등을 통해 리튬 이온을 흡수한다. 2차 전지의 재충전시, 리튬 이온의 유동은 리튬을 흡수하는 음극 및 리튬 이온으로서 리튬을 방출하는 양극을 갖는 전지를 통해 역전된다.Batteries described herein are lithium ion batteries that generally employ a non-aqueous electrolyte comprising lithium ions. In the case of secondary lithium ion batteries, lithium ions are released from the cathode during discharge, such that the cathode acts as an anode during discharge while generating electrons from oxidation of lithium upon release of lithium ions from the electrode. Correspondingly, the anode absorbs lithium ions through intercalation or the like during discharge so that the anode acts as a cathode that consumes electrons to neutralize the lithium ions. Upon recharging of the secondary battery, the flow of lithium ions is reversed through a battery having a negative electrode that absorbs lithium and a positive electrode that releases lithium as lithium ions.

본원에 기술된 양극 물질 조성물 중 일부는 일부 다른 고 용량 캐소드 물질과 비교하여 층상 구조 및 감소된 양의 니켈을 갖는 특정한 조성물로 인해 향상된 안전성 특성을 위한 낮은 화재 위험성을 갖고 있다. 또한, 그러한 조성물은 환경적 관점에서 바람직하지 않은 원소를 적은 양 사용하고, 상용 규모 제조에 적당한 비용을 갖는 출발 물질로부터 생성될 수 있다.Some of the positive electrode material compositions described herein have a low fire risk for improved safety properties due to the layered structure and certain compositions with reduced amounts of nickel as compared to some other high capacity cathode materials. In addition, such compositions can be produced from starting materials that use small amounts of undesirable elements from an environmental standpoint and have a cost that is suitable for commercial scale production.

용어 "원소"는 다수의 주기율표에서 언급되는 바와 같이 통상적인 방식으로 본원에 사용되고 있고, 원소는 원소가 조성물로 존재하는 경우 적절한 산화 상태를 가지며, 오직 원소 형태로 존재하는 것으로 언급되는 경우에만 원소가 이의 원소 형태 M0로 존재한다. 따라서, 금속 원소는 일반적으로 금속의 원소 형태 또는 금속의 원소 형태의 상응한 합금의 금속 상태로만 존재한다. 달리 말하면, 금속 합금 이외에 금속 산화물 또는 다른 금속 조성물은 일반적으로 금속성을 갖지 않는다.The term “element” is used herein in a conventional manner as mentioned in many periodic tables, and the element has an appropriate oxidation state when the element is present in the composition, and only when the element is mentioned as being in elemental form It exists in its elemental form M 0 . Thus, metal elements generally exist only in the metal state of the corresponding alloy in the elemental form of the metal or in the elemental form of the metal. In other words, metal oxides or other metal compositions other than metal alloys are generally not metallic.

재충전가능한 배터리는, 예를 들어 전화기와 같은 이동 통신 기기, MP3 플레이어 및 텔레비전과 같은 이동 오락 기기, 휴대용 컴퓨터, 범용인 것으로 볼 수 있는 그러한 기기들의 조합물, 뿐만 아니라 자동차 및 포크 리프트와 같은 운송 기기에서 일정 범위의 용도를 갖는다. 비용량 및 사이클링에 대하여 향상된 양극 활성 물질을 혼입시키는 본원에 기술된 배터리는 소비자, 특히 중간 전류 용도를 위한 향상된 성능을 제공할 수 있다.Rechargeable batteries are, for example, mobile communication devices such as telephones, mobile entertainment devices such as MP3 players and televisions, portable computers, combinations of such devices that can be seen as universal, as well as transport devices such as cars and forklifts. Has a range of uses. Batteries described herein incorporating an improved cathode active material with respect to specific capacity and cycling can provide improved performance for consumers, particularly for medium current applications.

amount 전기활성Electric activity 물질 matter

본원에 기술된 향상된 고 에너지 배터리는 일반적으로 통상의 물질에 비해 고 에너지 밀도를 갖는 양 전기활성 물질을 혼입한다. 그러한 물질은 분말이 상응한 고 에너지를 갖는 배터리에 효과적으로 모아질 수 있도록 탭 밀도와 같은 적당한 물질 특성을 갖도록 제조될 수 있다. 따라서, 적절하게 향상된 양 전기활성 물질은 본원에 기술된 조립 공정에 의해 바람직한 배터리를 제조하는데 유용한 것으로 밝혀졌다.The improved high energy batteries described herein generally incorporate both electroactive materials having a higher energy density compared to conventional materials. Such materials can be made to have suitable material properties such as tap density so that the powder can be effectively collected in batteries with corresponding high energy. Accordingly, suitably improved both electroactive materials have been found to be useful for making desirable batteries by the assembly process described herein.

층간삽입을 기초로 하는 양극 활성 물질을 갖는 상응한 배터리가 사용 중인 경우, 층간삽입 및 격자로부터의 리튬 이온 방출은 전기활성 물질의 결정질 격자의 변화를 유도하게 된다. 이러한 변화가 본질적으로 가역적인 한, 그 물질의 용량은 변하지 않는다. 하지만, 활성 물질의 용량은 다양한 정도로의 사이클링으로 인해 감소되는 것이 관찰된다. 따라서, 다회의 사이클링 후, 전지 성능이 허용치 아래로 떨어지면, 전지는 교체하게 된다. 또한, 전지의 제1 사이클의 경우에는 일반적으로 후속 사이클에서 사이클 용량 손실보다 유의적으로 큰 비가역적 용량 손실이 존재한다. 비가역적 용량 손실은 새로운 전지의 충전 용량과 제1 방전 용량 사이의 차이이다. 이러한 제1 사이클의 비가역적 용량 손실을 보상하기 위해, 비록 이러한 손실된 용량이 전지의 대부분의 수명 동안 용이하지 않아서 음극 물질이 기본적으로 소모된다고 하더라도 전지가 완전하게 충전될 수 있도록, 여분의 전기활성 물질이 음극에 포함되어 있다.If a corresponding battery with a positive electrode active material based on intercalation is in use, intercalation and release of lithium ions from the lattice will lead to changes in the crystalline lattice of the electroactive material. As long as these changes are inherently reversible, the capacity of the material does not change. However, it is observed that the dose of active substance is reduced due to cycling to varying degrees. Thus, after multiple cycles, if the battery performance falls below an acceptable value, the battery will be replaced. In addition, in the case of the first cycle of the cell there is generally an irreversible capacity loss that is significantly greater than the cycle capacity loss in subsequent cycles. The irreversible capacity loss is the difference between the charge capacity of the new cell and the first discharge capacity. To compensate for this irreversible capacity loss of the first cycle, extra electroactivity, so that the lost capacity is not easy for most of the life of the cell, so that the cell can be fully charged even though the negative material is basically consumed. The material is contained in the cathode.

리튬 이온 배터리는 기준의 균일한 전기 활성 리튬 금속 산화물 조성물에 비해 리튬이 농후한 양극 활성 물질을 사용할 수 있다. 이론에 의해 한정하고자 하는 것은 아니지만, 적절하게 형성된 리튬-농후 리튬 금속 산화물은, 예를 들어 Li2MnO3이 층상형 LiMnO2 성분 또는 스피넬형 LiMn2O4 성분과 구조적으로 통합되어 있는 복합 결정 구조, 또는 망간 이온이 등가의 산화 상태를 갖는 다른 전이 금속 이온으로 치환된 유사한 복합 조성물을 갖는 것으로 생각된다. 일부 구체예에서, 양극 물질은 2개의 성분 표기법으로 xLiMO2·(1-x)Li2M'O3으로 표시될 수 있으며, 여기서 M은 하나 이상의 3가 금속 이온이고, 하나 이상의 금속 이온은 Mn+3, Co+3 또는 Ni+3이며, M'은 하나 이상의 4가 금속 이온이며, 0<x<1다. 그러한 조성물은 "리튬 전지 및 배터리를 위한 리튬 금속 산화물 전극(Lithium Metal Oxide Electrodes for Lithium Cells and Batteries)"을 발명의 명칭으로 하는 Thackeray 등에 의한 미국 특허 제6,677,082호('082 특허) 및 "리튬 전지 및 배터리를 위한 리튬 금속 산화물 전극(Lithium Metal Oxide Electrodes for Lithium Cells and Batteries)"를 발명의 명칭으로 하는 Thackeray 등에 의한 미국 특허 제6,680,143호('143 특허)에 추가로 기술되어 있고, 이 문헌들은 둘다 본원에 참고 인용되어 있다. Thackery는 특히 관심의 대상으로 M'의 경우에는 Mn, Ti 및 Zr을 확인하고 M의 경우에는 Mn 및 Ni를 확인하였다.Lithium ion batteries may use a lithium-rich positive electrode active material as compared to a standard, uniformly electroactive lithium metal oxide composition. Without wishing to be bound by theory, a suitably formed lithium-rich lithium metal oxide is, for example, a complex crystal structure in which Li 2 MnO 3 is structurally integrated with a layered LiMnO 2 component or a spinel LiMn 2 O 4 component. Or a manganese ion is thought to have a similar composite composition substituted with other transition metal ions having an equivalent oxidation state. In some embodiments, the positive electrode material may be represented by xLiMO 2. (1-x) Li 2 M'O 3 in two component notation, wherein M is one or more trivalent metal ions and one or more metal ions is Mn +3 , Co + 3 or Ni + 3 , M 'is one or more tetravalent metal ions, where 0 <x <1. Such compositions are described in US Pat. No. 6,677,082 ('082 Patent) by Thackeray et al. Entitled “Lithium Metal Oxide Electrodes for Lithium Cells and Batteries” and “Lithium Cells and Further described in US Pat. No. 6,680,143 ('143 patent) by Thackeray et al., Entitled &quot; Lithium Metal Oxide Electrodes for Lithium Cells and Batteries, " Cited for reference. Thackery specifically identified Mn, Ti and Zr in the case of M 'and Mn and Ni in the case of M.

그러한 물질들로부터 형성된 배터리는 상응한 LiMO2 조성물로 형성된 배터리에 비해 더 높은 전압에서 그리고 더 높은 용량에서 사이클링하는 것으로 관찰되었다. 다른 구체예에서, 층상 리튬 농후 조성물은 2개의 성분 표기법으로 xLi2MnO3·(1-X)LiMn2 - yMyO4로 표시될 수 있으며, 여기서 M은 하나 이상의 금속 양이온이다. 그러한 조성물은 "리튬 배터리용 산화망간 복합 전극(Manganese Oxide Composite Electrodes for Lithium Batteries")를 발명의 명칭으로 하는 Johnson 등에 의한 공개된 미국 특허 출원 제2006/0051673호에 추가로 기술되어 있고 이는 본원에 참고 인용되어 있다. 복합 결정 구조를 갖는 양극 물질은 우수한 사이클링 특성을 갖고 실온에서 200 밀리암페어 시간/그램(mAh/g) 이상인 고 비용량을 나타낼 수 있다.Batteries formed from such materials have been observed to cycle at higher voltages and at higher capacities than batteries formed from corresponding LiMO 2 compositions. In another embodiment, the layered lithium rich composition may be represented by xLi 2 MnO 3. (1-X) LiMn 2 - y M y O 4 in two component notation, wherein M is one or more metal cations. Such compositions are further described in published US patent application 2006/0051673 by Johnson et al., Entitled “Manganese Oxide Composite Electrodes for Lithium Batteries”, which is incorporated herein by reference. Is cited. The positive electrode material having the composite crystal structure can have good cycling characteristics and exhibit high specific capacity of 200 milliampere hours / gram (mAh / g) or more at room temperature.

일부 특정한 층상 구조로 된 구조는 문헌[Thackery et al., "Comments on the structural complexity of Lithium-rich Li1 + xM1 - xO2 electrodes(M=Mn,Ni,Co) for lithium batteries", Electrochemistry Communications 8 (2006), 1531-1538]에 추가로 기술되어 있고, 이는 본원에 참고 인용되어 있다. 이 문헌에서 보고된 연구는 화학식 Li1+x[Mn0.5Ni0.5]1-xO2 및 Li1 +x[Mn0 .333Ni0 .333Co0 .333]1- xO2를 갖는 조성물을 검토하였다. 이 문헌은 또한 층상 물질의 구조적 복잡성을 기술하고 있다.Some specific layered structures are described in Thackery et al., "Comments on the structural complexity of Lithium-rich Li 1 + x M 1 - x O 2 electrodes (M = Mn, Ni, Co) for lithium batteries", Electrochemistry Communications 8 (2006), 1531-1538, which is incorporated herein by reference. The research reported in this literature is a composition having the formula Li 1 + x [Mn 0.5 Ni 0.5] 1-x O 2 and Li 1 + x [Mn 0 .333 Ni 0 .333 Co 0 .333] 1- x O 2 Was reviewed. This document also describes the structural complexity of the layered material.

본 발명자들은 또한 금속 및 불소 도펀트가 층상 리튬 금속 산화물 구조의 용량, 임피던스 및 안정성에 영향을 미칠 수 있다는 것을 밝혀내었다. 적당한 금속 및 불소 도펀트를 지닌 그러한 조성물은 본원에 기술된 배터리에서 유사하게 사용될 수 있다. 그러한 금속 및 할로겐 원소 도핑, 예를 들어 불소 도핑 조성물의 일부 구체예는 "리튬 이온 재충전가능한 배터리용 층상 캐소드 물질(Layered Cathode Materials for Lithium Ion Rechargeable Batteries)"을 발명의 명칭으로 하는 Kang 등에 의한 미국 특허 제7,205,072호에 추가로 기술되어 있고, 이는 본원에 참고 인용되어 있다. 층상 리튬 금속 산화물 구조 상에 그러한 금속 및/또는 할로겐 원소가 도핑된 변경예는 본원에 기술된 고 에너지 배터리에 유사하게 사용될 수 있다. 본 발명자들은 금속 플루오르화물 조성물이 10회 이상의 방전/재충전 사이클을 위한 약 220 mAh/g 이상의 방전 용량을 유지하기 위해 고 에너지 용량 조성물의 사이클링을 안정화시키는데 성공적으로 사용될 수 있다는 것을 밝혀내었다.The inventors have also found that metal and fluorine dopants can affect the capacity, impedance and stability of the layered lithium metal oxide structure. Such compositions with suitable metals and fluorine dopants can similarly be used in the batteries described herein. Some embodiments of such metal and halogen element doping, such as fluorine doping compositions, are described in US patents by Kang et al., Entitled " Layered Cathode Materials for Lithium Ion Rechargeable Batteries. &Quot; Further described in US Pat. No. 7,205,072, which is incorporated herein by reference. Alterations doped with such metals and / or halogen elements on the layered lithium metal oxide structure can be similarly used in the high energy batteries described herein. We have found that metal fluoride compositions can be successfully used to stabilize cycling of high energy capacity compositions to maintain a discharge capacity of at least about 220 mAh / g for at least 10 discharge / recharge cycles.

임의의 불소 도펀트를 지닌 양극 활성 물질은 화학식 Li1 + xNiαMnβCoγMδO2 -z/2Fz에 의해 기술될 수 있고, 여기서 x는 약 0.05∼약 0.25의 범위이며, α는 약 0.1∼약 0.4의 범위이고, β는 약 0.4∼약 0.65의 범위이며, γ는 약 0.05∼약 0.3의 범위이고, δ는 약 0∼약 0.1의 범위이며, z는 약 0∼약 0.1의 범위이고, M은 Mg, Zn, Al, Ga, B, Zr, Ti, Ca, Ce, Y, Nb 또는 이들의 조합물이다. 불소는 사이클링 안정성 뿐만 아니라 물질의 향상된 안전성에 기여할 수 있는 도펀트이다. z=0인 일부 구체예에서, 이 화학식은 Li1 + xNiαMnβCoγMδO2로 축소된다. 본 발명자들은 비록 불소 도펀트를 갖는 것이 일부 구체예에서 바람직할 수 있지만 불소 도펀트를 사용하지 않아도 적당한 코팅이 사이클링 특성에 바람직한 향상을 제공한다는 것을 밝혀냈다. 더욱이, 일부 구체예에서, 조성물은 향상된 성능을 여전히 제공하면서 더욱 간편화되도록 δ = 0을 갖는 것이 바람직하다. 그러한 구체예의 경우, 또한 z=0이라면, 화학식은 Li1 + xNiαMnβCoγ02로 간편화되고, 매개변수는 상기 개설된 바와 같다. 화학식 Li1 + xNiαMnβCoγ02로 표시되는 조성물은 대안적으로 상기 언급된 2개의 성분 표기법으로 기재될 수 있다. 당업자라면 상기 명백한 범위 내에서 매개변수 값의 추가 범위가 고려되고 본 발명의 명세서 내용 내에 속하는 것을 알 것이다.The positive electrode active material with any fluorine dopant may be described by the formula Li 1 + x Ni α Mn β Co γ M δ O 2 -z / 2 F z , where x ranges from about 0.05 to about 0.25, α is in the range of about 0.1 to about 0.4, β is in the range of about 0.4 to about 0.65, γ is in the range of about 0.05 to about 0.3, δ is in the range of about 0 to about 0.1, and z is about 0 to about In the range of 0.1, M is Mg, Zn, Al, Ga, B, Zr, Ti, Ca, Ce, Y, Nb or a combination thereof. Fluorine is a dopant that can contribute to the cycling stability as well as the improved safety of the material. In some embodiments where z = 0, this formula is reduced to Li 1 + x Ni α Mn β Co γ M δ O 2 . We have found that although having fluorine dopants may be desirable in some embodiments, a suitable coating provides a desirable improvement in cycling properties without the use of fluorine dopants. Moreover, in some embodiments, it is desirable for the composition to have δ = 0 so as to be more simplified while still providing improved performance. For such embodiments, if z = 0 as well, the formula is simplified to Li 1 + x Ni α Mn β Co γ 0 2 , with the parameters as outlined above. The composition represented by the formula Li 1 + x Ni α Mn β Co γ 0 2 may alternatively be described in the two component notation mentioned above. Those skilled in the art will recognize that further ranges of parameter values are contemplated and fall within the context of the present invention within the above apparent range.

고 비용량은 "고 방전 비용량을 갖는 리튬 이온 배터리용 양극 물질 및 이 물질의 합성 방법(Positive Electrode Material for Lithium Ion Batteries Having a High Specific Discharge Capacity and Processes for the Synthesis of these Materials)"을 발명의 명칭으로 하는 Venkatachalam 등에 의한 미국 출원 번호 제12/246,814호('814 출원) 및 "고 방전 비용량 리튬 이온 배터리용 양극 물질(Positive Electrode Material for High Specific Discharge Capacity Lithium Ion Batteries)"을 발명의 명칭으로 하는 Lopez 등의 의한 미국 출원 번호 제12/332,735호('735 출원)에 기술되어 있는 합성 방법을 이용하여 이러한 Li1 + xNiαMnβCoγMδ02-z/2Fz 조성물을 얻었고, 이 문헌들은 둘다 본원에 참고 인용되어 있다. 특히, 놀랍게도 Li[Li0 .2Ni0 .175Co0 .10Mn0 .525]02에 대해 우수한 결과가 얻어졌다. '735 출원에 기술되어 있는 카르보네이트 공침전 공정은 조성물 내에 코발트를 갖고 뛰어난 탭 밀도를 지닌 고 비용량 성능을 제시하는 바람직한 리튬 농후 금속 산화물 물질을 형성한다. 이러한 동시계류 특허 출원은 또한 성능 및 사이클링을 향상시키는데 효과적인 코팅 사용도 기술하고 있다.High specific capacity is defined as "Positive Electrode Material for Lithium Ion Batteries Having a High Specific Discharge Capacity and Processes for the Synthesis of these Materials". U.S. Application No. 12 / 246,814 (the '814 application) by Venkatachalam et al. And "Positive Electrode Material for High Specific Discharge Capacity Lithium Ion Batteries" United States Application Serial No. 12/332 735 No. of these Li 1 + x Ni α Mn β Co γ M δ 0 2-z / 2 F z compositions using the synthesis method described in the ( '735 application) by such Lopez to that Both of which are incorporated herein by reference. In particular, surprisingly good results have been obtained for Li [Li 0 .2 Ni 0 .175 Co 0 .10 Mn 0 .525] 0 2. The carbonate coprecipitation process described in the '735 application forms a preferred lithium rich metal oxide material having cobalt in the composition and presenting high specific capacity performance with excellent tap density. This co-pending patent application also describes the use of coatings effective to improve performance and cycling.

적절한 코팅 물질은 물질의 장기간의 사이클링 성능을 향상시키는 것 뿐만 아니라 제1 사이클의 비가역적 용량 손실을 감소시킬 수 있다. 이론에 의해 한정하고자 하는 것은 아니지만, 이 코팅은 결정 격자의 비가역적 변화가 유의적으로 감소하도록 리튬 이온의 흡수 및 방출 동안 결정 격자를 안정화시킬 수 있다. 특히, 금속 플루오르화물 조성물은 효과적인 코팅으로서 사용될 수 있다. 캐소드 활성 물질, 구체적으로는 LiCoO2 및 LiMn2O4를 위한 코팅으로서 금속 플루오르화물 조성물의 일반적인 사용은 "리튬 2차 배터리용 불소 화합물 코팅된 캐소드 활성 물질 및 이의 제조 방법(Cathode Active Material Coated with Fluorine Compound for Lithium Secondary Batteries and Method for Preparing the Same)"을 명칭으로 하는 Sun 등의 의한 공개된 PCT 출원 WO 제2006/109930호A('930 출원)에 기술되어 있고, 이는 본원에 참고 인용되어 있다. 이러한 특허 출원은 LiF, ZnF2 또는 AlF3으로 코팅된 LiCoO2에 대한 결과를 제공하고 있다. 본 발명자들은 금속 플루오르화물 코팅이 본원에 기술된 리튬 농후한 층상 양극 활성 물질에 대하여 유의적인 향상을 제공할 수 있다는 것을 밝혀내었다. 그러한 향상은 유의적으로 감소된 용량의 성능저하로 인한 장기간의 사이클링, 제1 사이클의 비가역적 용량 손실의 상당한 감소 및 일반적인 용량의 향상과 관련된다. 코팅 물질의 양은 관찰된 성능의 향상이 강화되도록 선택될 수 있다.Suitable coating materials may not only improve the long term cycling performance of the material but also reduce the irreversible capacity loss of the first cycle. Without wishing to be bound by theory, this coating can stabilize the crystal lattice during absorption and release of lithium ions such that the irreversible change in the crystal lattice is significantly reduced. In particular, metal fluoride compositions can be used as effective coatings. The general use of metal fluoride compositions as coatings for cathode active materials, in particular LiCoO 2 and LiMn 2 O 4 , has been described as "Cathode Active Material Coated with Fluorine Compound. for Lithium Secondary Batteries and Method for Preparing the Same) is disclosed in published PCT application WO 2006/109930 A ('930 application) by Sun et al., which is incorporated herein by reference. This patent application provides results for LiCoO 2 coated with LiF, ZnF 2 or AlF 3 . We have found that metal fluoride coatings can provide a significant improvement over the lithium rich layered positive electrode active material described herein. Such improvements are associated with long term cycling due to significantly reduced capacity degradation, significant reduction in irreversible capacity loss of the first cycle, and improvement in general capacity. The amount of coating material can be chosen such that the improvement in observed performance is enhanced.

특히, 본 발명자들은 금속 플루오르화물이 코팅된 리튬 금속 산화물로부터 형성된 배터리의 사이클링 특성은 비코팅된 물질로부터 유의적으로 향상된다는 것을 밝혀내었다. 추가적으로, 배터리의 전체적인 용량은 또한 플루오르화물 코팅에 의해 바람직한 특성을 나타내고, 배터리의 제1 사이클의 비가역적 용량 손실은 감소하게 된다. 앞서 논의한 바와 같이, 배터리의 제1 사이클의 비가역적 용량 손실은 새로운 배터리의 충전 용량과 이의 제1 방전 용량 사이의 차이를 말한다. 제1 사이클의 비가역적 용량 손실의 벌크는 일반적으로 양극 물질에서 기인하는 것이다.In particular, the inventors have found that the cycling properties of batteries formed from lithium metal oxides coated with metal fluoride are significantly improved from uncoated materials. In addition, the overall capacity of the battery also exhibits desirable properties by the fluoride coating and the irreversible capacity loss of the first cycle of the battery is reduced. As discussed above, the irreversible capacity loss of the first cycle of the battery refers to the difference between the charging capacity of the new battery and its first discharge capacity. The bulk of the irreversible capacity loss of the first cycle is generally due to the positive electrode material.

코팅은 본원에 사용된 고 용량 리튬 농후 조성물의 성능에 예상 외의 향상을 제공한다. 일반적으로, 코팅에는 선택된 금속 플루오르화물 또는 비금속 플루오르화물이 사용될 수 있다. 유사하게, 금속 및/또는 비금속 원소의 조합물을 지닌 코팅이 사용될 수 있다. 금속/비금속 플루오르화물 코팅은 리튬 2차 배터리를 위한 양극 활성 물질의 성능을 안정화시키는데 제안된 바 있다. 플루오르화물 코팅을 위한 적당한 금속 및 비금속 원소는, 예를 들어 Al, Bi, Ga, Ge, In, Mg, Pb, Si, Sn, Ti, Tl, Zn, Zr 및 이들의 조합물을 포함한다. 플루오르화알루미늄은 바람직한 코팅 물질일 수 있는데, 그 이유는 이 물질이 적절한 비용을 갖고 환경적으로 양호한 것으로 간주되기 때문이다. 금속 플루오르화물 코팅은 Sun 등에 의한 '930 출원에서 전반적으로 기술되어 있다. 상기 구체적으로 참조되어 있는 Sun의 PCT 출원에는 후술되는 플루오르화물 조성물, CsF, KF, LiF, NaF, RbF, TiF, AgF, AgF2, BaF2, CaF2, CuF2, CdF2, FeF2, HgF2, Hg2F2, MnF2, MgF2, NiF2, PbF2, SnF2, SrF2, XeF2, ZnF2, AlF3, BF3, BiF3, CeF3, CrF3, DyF3, EuF3, GaF3, GdF3, FeF3, HoF3, InF3, LaF3, LuF3, MnF3, NdF3, VOF3, PrF3, SbF3, ScF3, SmF3, TbF3, TiF3, TmF3, YF3, YbF3, TlF3, CeF4, GeF4, HfF4, SiF4, SnF4, TiF4, VF4, ZrF4, NbF5, SbF5, TaF5, BiF5, MoF6, ReF6, SF6, 및 WF6이 제시되어 있다.The coating provides an unexpected improvement in the performance of the high capacity lithium rich composition used herein. In general, selected metal fluorides or nonmetal fluorides may be used for the coating. Similarly, coatings with combinations of metal and / or nonmetallic elements can be used. Metal / nonmetal fluoride coatings have been proposed to stabilize the performance of positive electrode active materials for lithium secondary batteries. Suitable metal and nonmetallic elements for fluoride coatings include, for example, Al, Bi, Ga, Ge, In, Mg, Pb, Si, Sn, Ti, Tl, Zn, Zr and combinations thereof. Aluminum fluoride may be a preferred coating material because it is considered environmentally good at a reasonable cost. Metal fluoride coatings are described generally in the '930 application by Sun et al. Of Sun PCT application, which is referred to as the concrete has fluoride composition to be described later, CsF, KF, LiF, NaF , RbF, TiF, AgF, AgF 2, BaF 2, CaF 2, CuF 2, CdF 2, FeF 2, HgF 2 , Hg 2 F 2 , MnF 2 , MgF 2 , NiF 2 , PbF 2 , SnF 2 , SrF 2 , XeF 2 , ZnF 2 , AlF 3 , BF 3 , BiF 3 , CeF 3 , CrF 3 , DyF 3 , EuF 3 , GaF 3, GdF 3, FeF 3, HoF 3, InF 3, LaF 3, LuF 3, MnF 3, NdF 3, VOF 3, PrF 3, SbF 3, ScF 3, SmF 3, TbF 3, TiF 3, TmF 3, YF 3, YbF 3, TlF 3, CeF 4, GeF 4, HfF 4, SiF 4, SnF 4, TiF 4, VF 4, ZrF 4, NbF 5, SbF 5, TaF 5, BiF 5, MoF 6, ReF 6 , SF 6 , and WF 6 are shown.

LiNi1 /3Co1 /3Mn1 /3O2의 사이클링 성능에 대한 AlF3 코팅의 효과는 문헌[Sun et al, "AlF3-Coating to Improve High Voltage Cycling Performance of Li[Ni1 /3Co1 /3Mn1 /3]O2 Cathode Materials for Lithium Secondary Batteries," J. of the Electrochemical Society, 154 (3), A168-A172 (2007)]에서 추가로 기술되어 있다. 또한, LiNi0 .8Co0 .1Mn0 .1O2의 사이클링 성능에 대한 AlF3 코팅의 효과는 문헌[Woo et al., "Significant Improvement of Electrochemical Performance of AlF3-Coated Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]02 Cathode Materials," J. of the Electrochemical Society, 154 (11) A1005-A 1009 (2007)]에 추가로 기술되어 있고, 이는 본원에 참고 인용되어 있다. Al2O3 코팅에 의한 비가역적 용량 손실의 감소는 문헌[Wu et al., "High Capacity, Surface-Modified Layered Li[Li(1-x)/3Mn(2-x)/3Nix /3Cox /3]O2 Cathodes with Low Irreversible Capacity Loss," Electrochemical and Solid State Letters, 9 (5) A221-A224 (2006)]에 언급되어 있으며, 이는 본원에 참고 인용되어 있다.LiNi 1/3 Co 1/3 the effect of AlF 3 coating on the cycling performance of the Mn 1/3 O 2 may be found in [Sun et al, "AlF 3 -Coating to Improve High Voltage Cycling Performance of Li [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3] O and is described in a 2 Cathode Materials for Lithium Secondary Batteries, "J. of the Electrochemical Society, 154 (3), adding from A168-A172 (2007)]. Also, LiNi 0 .8 Co 0 .1 Mn 0 .1 effect of AlF 3 coating on the cycling performance of the O 2 is described in [Woo et al., "Significant Improvement of Electrochemical Performance of AlF 3 -Coated Li [Ni 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 ] 0 2 Cathode Materials, "J. of the Electrochemical Society, 154 (11) A1005-A 1009 (2007), which is incorporated herein by reference. Reduction of irreversible capacity loss by Al 2 O 3 coatings is described by Wu et al., “High Capacity, Surface-Modified Layered Li [Li (1-x) / 3 Mn (2-x) / 3 Ni x / 3 Co x / 3 ] O 2 Cathodes with Low Irreversible Capacity Loss, "Electrochemical and Solid State Letters, 9 (5) A221-A224 (2006), which is incorporated herein by reference.

본 발명자들은 금속/비금속 플루오르화물 코팅이 "고 방전 비용량을 갖는 리튬 이온 배터리용 양극 물질 및 이 물질의 합성 방법(Positive Electrode Material for Lithium Ion Batteries Having a High Specific Discharge Capacity and Processes for the Synthesis of these Materials)"을 발명의 명칭으로 하는 Venkatachalam 등에 의한 미국 출원 번호 제12/246,814호('814 출원) 및 "고 방전 비용량 리튬 이온 배터리용 양극 물질(Positive Electrode Mateiral for High Specific Discharge Capacity Lithium Ion Batteries)"을 발명의 명칭으로 하는 Lopez 등에 의한 미국 출원 번호 제12/332,735호('735 출원)(본원에 참고 인용됨)에서 실시예로 입증된 바와 같이 리튬 이온 2차 배터리를 위한 리튬 농후 층상 조성물의 성능을 유의적으로 향상시킬 수 있다는 것을 밝혀내었다. 이 코팅은 배터리의 용량을 향상시킨다. 하지만, 그 코팅 자체는 전기화학적으로 활성은 아니다. 샘플에 첨가된 소정량의 코팅으로 인해 비용량의 손실이 초과되는 경우, 코팅 첨가의 이점은 이의 전기화학적 불활성에 의해 상쇄되고, 배터리 용량의 감소가 예상될 수 있다. 일반적으로, 소정량의 코팅은 코팅으로부터 생성된 유리한 안정화와 일반적으로 물질의 고 비용량에 직접적으로 기여하지 않는 코팅 물질의 중량으로 인한 비용량의 손실이 균형을 이루도록 선택될 수 있다. 일반적으로, 코팅 물질의 양은 약 0.01 몰%∼약 10 몰%의 범위이고, 추가 구체예에서는 약 0.1 몰%∼약 7 몰%의 범위이고, 추가 구체예에서는 약 0.2 몰%∼약 5 몰%의 범위이고, 다른 구체예에서는 약 0.5 몰%∼약 4 몰%의 범위이다. 당업자라면 상기 명백한 범위 내에서 코팅 물질의 추가 범위가 고려되고 본 발명의 명세서 내용 내에 속하는 것을 알 것이다. AlF3이 코팅된 금속 산화물 물질에서 비코팅된 물질의 용량을 향상시키기에 효과적인 AlF3의 양은 비코팅된 물질의 입자 크기 및 표면적과 관련된다. 특히, 더 높은 몰%의 금속 플루오르화물 코팅은 일반적으로 더 낮은 표면적의 분말에 대한 코팅과 동등한 효과를 실현하기 위해 더 높은 표면적의 분말을 사용할 수 있다.The inventors have found that the metal / non-metal fluoride coating has a positive electrode material for lithium ion batteries having a high discharge specific capacity and a method for synthesizing the material. US Patent No. 12 / 246,814 (the '814 application) and "Positive Electrode Mateiral for High Specific Discharge Capacity Lithium Ion Batteries" by Venkatachalam et al. Performance of Lithium Rich Layered Compositions for Lithium Ion Secondary Batteries as Proven by Example in US Pat. No. 12 / 332,735 ('735 Application) (referenced herein) by Lopez et al. It was found that can be significantly improved. This coating improves the capacity of the battery. However, the coating itself is not electrochemically active. If the loss of specific amount is exceeded due to the amount of coating added to the sample, the benefits of the coating addition are offset by its electrochemical inertness, and a reduction in battery capacity can be expected. In general, an amount of coating may be selected to balance the beneficial stabilization resulting from the coating with the loss of specific capacity due to the weight of the coating material, which generally does not directly contribute to the high specific content of the material. Generally, the amount of coating material ranges from about 0.01 mol% to about 10 mol%, in further embodiments ranges from about 0.1 mol% to about 7 mol%, and in further embodiments, from about 0.2 mol% to about 5 mol%. And in another embodiment in a range from about 0.5 mol% to about 4 mol%. Those skilled in the art will recognize that further ranges of coating materials are contemplated and fall within the specification of the present invention within the above apparent scope. The amount of AlF 3 effective to enhance the capacity of the uncoated material in the AlF 3 coated metal oxide material is related to the particle size and surface area of the uncoated material. In particular, higher mole percent metal fluoride coatings may generally use higher surface area powders to realize an effect equivalent to coatings for lower surface area powders.

양극 활성 조성물은 실질적인 방전 조건 하에서 리튬 이온 전지에서 놀랍도록 높은 비용량을 나타낼 수 있다. 향상된 합성 방법을 기초로 하는 일부 구체예에서, 복합 결정 구조를 지닌 리튬 농후 양극 활성 물질은 4.6 V에서 방전을 위한 우수한 사이클링 특성을 갖고 실온에서 250 mAh/g 이상인 고 비용량을 나타낼 수 있다. 일부 다른 구체예에서, 본원에 사용된 복합 결정 구조를 지닌 리튬 농후 양극 활성 물질은 4.6 V에서 방전을 위한 우수한 사이클링 특성 및 1.8 g/㎖ 이상의 높은 탭 밀도를 갖고, 실온에서 235 mAh/g 이상인 고 비용량을 나타낼 수 있다. 일반적으로, 비용량이 비교가능한 경우, 양극 물질의 더 높은 탭 밀도는 더 높은 배터리의 전체적인 용량을 유도한다. 충전/방전 측정 동안, 물질의 비용량은 방전 속도에 따라 달라진다는 것을 유념한다. 특정 전지의 최대의 용량은 매우 느린 방전 속도에서 측정된다. 실제 사용시, 실제 용량은 한정된 속도에서의 방전으로 인해 최대치보다 적은 용량을 갖는다. 더욱 실질적인 용량은 사용 동안의 속도와 더 유사한, 적당한 방전 속도를 이용하여 측정될 수 있다. 낮은 속도 내지 중간 속도 용도의 경우, 적당한 테스트 속도는 3시간 이상의 전지 방전을 수반한다. 통상적인 표기법에서, 이것은 C/3 또는 0.33C로 기재된다. 본원에 사용된 양극 활성 물질은 4.6 V에서 방전되는 경우 실온의 제10 방전/충전 사이클에서 C/3의 방전 속도로 약 250 mAh/g 이상의 방전 비용량을 가질 수 있다. 일부 구체예에서, 본원에 사용된 양극 활성 물질은 4.6 V에서 방전되고 탭 밀도가 1.8 g/㎖ 이상인 경우 실온에서 C/10의 방전 속도로 약 250 mAh/g 이상의 방전 비용량을 가질 수 있다. 코팅된 물질에 의해 리튬 이온 배터리에서 가장 우수한 용량 성능을 얻었다.The positive electrode active composition can exhibit surprisingly high specific capacities in lithium ion cells under substantial discharge conditions. In some embodiments based on improved synthetic methods, the lithium rich positive electrode active material with a composite crystal structure may have good cycling properties for discharging at 4.6 V and exhibit high specific capacity of at least 250 mAh / g at room temperature. In some other embodiments, the lithium rich positive electrode active material having a composite crystal structure as used herein has a high cycling density and a high tap density of at least 1.8 g / ml for discharge at 4.6 V and is at least 235 mAh / g at room temperature. It can represent specific quantities. In general, when the specific amounts are comparable, the higher tap density of the positive electrode material leads to the higher overall capacity of the battery. Note that during charge / discharge measurements, the specific capacity of the material depends on the rate of discharge. The maximum capacity of a particular cell is measured at very slow discharge rates. In actual use, the actual capacity has a capacity less than the maximum due to the discharge at a limited rate. More substantial capacity can be measured using a suitable discharge rate, more similar to the rate during use. For low to medium speed applications, a suitable test rate involves more than 3 hours of battery discharge. In conventional notation, this is described as C / 3 or 0.33C. As used herein, the positive electrode active material may have a discharge specific capacity of at least about 250 mAh / g at a discharge rate of C / 3 in a tenth discharge / charge cycle at room temperature when discharged at 4.6 V. In some embodiments, the positive electrode active material used herein may have a discharge specific capacity of at least about 250 mAh / g at a discharge rate of C / 10 at room temperature when discharged at 4.6 V and the tap density is at least 1.8 g / ml. The coated material yielded the best capacity performance in lithium ion batteries.

양극 물질은 일반적으로 "고 방전 비용량을 갖는 리튬 이온 배터리용 양극 물질 및 이 물질의 합성 방법(Positive Electrode Material for Lithium Ion Batteries Having a High Specific Discharge Capacity and Processes for the Synthesis of these Materials)"를 발명의 명칭으로 하는 Venkatachalam 등에 의한 미국 출원 번호 제12/246,814호('814 출원) 및 "고 방전 비용량 리튬 이온 배터리용 양극 물질(Positive Electrode Material for High Specific Discharge Capacity Lithium Ion Batteries"을 발명의 명칭으로 하는 Lopez 등에 의한 미국 출원 번호 제12/332,735호('735 출원)(본원에 참고 인용됨)에 상세하게 기술된 공침전 및 졸-겔 공정에 의해 합성될 수 있다. 일부 구체예에서, 양극 물질은 +2 양이온을 포함하는 용액으로부터 혼합된 금속 수산화물 또는 탄산염 조성물을 침전시킴으로써 합성되고, 여기서 그 수산화물 또는 탄산염 조성물은 선택된 조성물을 갖는다. 금속 수산화물 또는 탄산염 침전물에는 이어서 열 처리 등을 실시하여 결정질 층상 리튬 금속 산화물 조성물을 형성시킨다.Anode materials generally invent "Positive Electrode Material for Lithium Ion Batteries Having a High Specific Discharge Capacity and Processes for the Synthesis of these Materials" US Patent No. 12 / 246,814 (the '814 application) by Venkatachalam et al. And " Positive Electrode Material for High Specific Discharge Capacity Lithium Ion Batteries " Synthesized by co-precipitation and sol-gel processes described in detail in U.S. Application No. 12 / 332,735 ('735 Application) (incorporated herein by reference) by Lopez et al. Silver is synthesized by precipitating a mixed metal hydroxide or carbonate composition from a solution comprising a +2 cation, wherein the hydroxide or carbonate Composition has a selected composition, the metal hydroxide or carbonate precipitate is then subjected to thermal treatment to form a crystalline layered lithium metal oxide composition.

리튬 원소는 공정 중 하나 이상의 선택된 단계에서 물질 내로 혼입시킬 수 있다. 예를 들면, 리튬 염은 수화된 리튬 염을 첨가함으로써 침전 단계 이전에 또는 침전 단계 수행시 용액 내로 혼입시킬 수 있다. 그러한 방법에서, 리튬 종은 다른 금속과 동일한 방식으로 탄산염 물질 내로 혼입된다. 또한, 리튬의 특성으로 인해, 리튬 원소는 생성물 조성의 생성된 특징에 부작용을 미치는 일 없이 고상 반응에서 물질 내로 혼입시킬 수 있다. 따라서, 예를 들면, 일반적으로 분말로서 적절한 양의 리튬 공급원, 예컨대 LiOH·H2O, LiOH, Li2CO3, 또는 이들의 조합물은 침전된 금속 수산화물 또는 탄산염과 혼합시킬 수 있다. 분말 혼합물은 이어서 가열 단계(들)를 수행하여 산화물을 형성시킨 후 결정질 양극 물질을 형성시킨다.The elemental lithium may be incorporated into the material in one or more selected steps of the process. For example, lithium salts can be incorporated into the solution prior to the precipitation step or during the precipitation step by adding a hydrated lithium salt. In such a method, lithium species are incorporated into the carbonate material in the same manner as other metals. In addition, due to the nature of lithium, elemental lithium can be incorporated into materials in solid phase reactions without adversely affecting the resulting characteristics of the product composition. Thus, for example, generally a suitable amount of lithium source as a powder, such as LiOH.H 2 O, LiOH, Li 2 CO 3 , or a combination thereof, can be mixed with the precipitated metal hydroxide or carbonate. The powder mixture is then subjected to a heating step (s) to form an oxide followed by a crystalline anode material.

양극 물질의 플루오르화물 코팅은 용액을 기초로 하는 침전 방법을 이용하여 침착시킬 수 있다. 양극 물질의 분말은 적당한 용매, 예컨대 수성 용매에서 혼합시킬 수 있다. 바람직한 금속/비금속의 용해성 조성물은 용매에서 용해시킬 수 있다. 이어서, NH4F는 점차 분산액/용액에 첨가하여 금속 플루오르화물을 침전시킬 수 있다. 코팅 반응물들의 총량은 바람직한 양의 코팅을 형성하도록 선택될 수 있고, 코팅 반응물들의 비율은 코팅 물질의 화학량론을 기초로 할 수 있다. 코팅 혼합물은 적당한 온도, 예컨대 약 60℃∼약 100℃의 범위에서 약 20 분∼약 48시간 동안 수용액을 코팅 공정 동안 가열하여 코팅 공정을 용이하게 할 수 있다. 용액으로부터 코팅된 전기활성 물질을 제거한 후, 그 물질을 건조하고 일반적으로 약 250℃∼약 600℃의 온도로 약 20분∼약 48시간 동안 가열하여 코팅된 물질의 형성을 완료할 수 있다. 그 가열은 질소 분위기 하에서 또는 실질적으로 산소 무함유 분위기 하에서 수행할 수 있다.The fluoride coating of the positive electrode material can be deposited using a solution based precipitation method. The powder of the positive electrode material can be mixed in a suitable solvent such as an aqueous solvent. Preferred soluble compositions of metal / nonmetals can be dissolved in a solvent. NH 4 F may then be gradually added to the dispersion / solution to precipitate the metal fluoride. The total amount of coating reactants may be selected to form the desired amount of coating, and the ratio of coating reactants may be based on the stoichiometry of the coating material. The coating mixture may facilitate the coating process by heating the aqueous solution during the coating process for about 20 minutes to about 48 hours at a suitable temperature, such as in the range of about 60 ° C to about 100 ° C. After removing the coated electroactive material from the solution, the material may be dried and heated to a temperature of about 250 ° C. to about 600 ° C. for about 20 minutes to about 48 hours to complete the formation of the coated material. The heating can be carried out under a nitrogen atmosphere or under an oxygen free atmosphere.

배터리 전지 구조Battery cell structure

본원에서 향상된 배터리에 있어서, 상기 기술된 고 에너지 양극 물질은 배터리 내로 효율적으로 혼입되어 고도로 높은 성능 값을 실현한다. 특히, 높은 탭 밀도를 지닌 고 에너지 밀도 전기활성 물질을 합성하는 능력은 양극이 높은 활성 물질을 적재하도록 하는 것으로 밝혀졌다. 본 발명자들은 또한 고 분자량 중합체가 전극 또는 전극 성능의 물리적 안정성을 저하시키는 일 없이 적은 양의 중합체로 전극을 형성시킨다는 것을 밝혀내었다. 이러한 중요한 향상을 기초로, 배터리는 매우 높은 에너지 밀도 뿐만 아니라 높은 용적 에너지를 갖도록 형성시킬 수 있다. 도 1에는 케이싱을 포함하지 않은 배터리의 개략도가 도시되어 있다. 구체적으로는, 배터리(100)는 음극(102), 양극(104) 및 음극(102)과 양극(104) 사이의 세퍼레이터(106)를 갖는 것으로 개략적으로 도시되어 있다. 배터리는, 예를 들어 적층으로 복수의 양극 및 복수의 음극과 함께 적절하게 배치된 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 전극과 접촉하는 전해질은 대향하는 극성의 전극 사이에서 세퍼레이터를 통해 이온 전도성을 제공한다. 배터리는 일반적으로 각각 음극(102) 및 양극(104)과 관련된 집전체(108, 110)를 포함한다. 대안적으로, 전극 및 세퍼레이터는 케이싱으로 둘러싸기 전에 상이한 배치로 젤-롤링되거나 폴딩될 수 있다.In the battery improved herein, the high energy positive electrode material described above is efficiently incorporated into the battery to achieve a high performance value. In particular, the ability to synthesize high energy density electroactive materials with high tap density has been found to allow the anode to load high active materials. The inventors have also found that high molecular weight polymers form electrodes with small amounts of polymer without degrading the physical stability of the electrode or electrode performance. Based on this significant improvement, the battery can be formed to have a high volume energy as well as a very high energy density. 1 shows a schematic of a battery without a casing. Specifically, battery 100 is schematically illustrated as having a cathode 102, an anode 104, and a separator 106 between cathode 102 and anode 104. The battery may include, for example, a separator suitably arranged with a plurality of positive electrodes and a plurality of negative electrodes in a stack. The electrolyte in contact with the electrode provides ionic conductivity through the separator between the electrodes of opposite polarity. Batteries generally include current collectors 108 and 110 associated with negative electrode 102 and positive electrode 104, respectively. Alternatively, the electrodes and separators can be gel-rolled or folded in different batches before enclosing in the casing.

상용 전지는 일반적으로 그 전지가 방전 동안 애노드에 의해 제한되지 않도록 그리고 리튬 금속이 전지 재충전 동안 음극 상에 플레이트 아웃(plate out)되지 않도록 양극과 비교하여 음극에서 초과 용량을 갖도록 설계된다. 리튬 금속 캔은 사이클링 문제 뿐만 아니라 리튬 금속의 반응성으로 인한 안전 문제가 야기된다. 전지에 바람직한 고 에너지를 실현하기 위해, 음극 구조는 매우 높은 양극 용량의 관점에서 볼때 음극이 적절한 용량을 제공할 수 있도록 더욱 두껍게 제조될 수 있다.Commercial cells are generally designed to have excess capacity at the negative electrode as compared to the positive electrode such that the cell is not limited by the anode during discharge and that lithium metal is not plated out on the negative electrode during battery recharge. Lithium metal cans present not only cycling problems but also safety problems due to the reactivity of lithium metals. In order to realize the high energy desired for the cell, the negative electrode structure can be made thicker so that the negative electrode can provide an appropriate capacity in view of very high positive electrode capacity.

본원에 기술된 고 에너지 배터리는, 예를 들어 통상의 리튬 층간삽입 탄소 물질을 지닌 형성된 음극을 가질 수 있다. 적당한 음극 활성 물질은, 예를 들면 리튬 층간삽입 탄소, 일부 금속 합금, 일부 규소 물질 및 일부 금속 산화물을 포함한다. 세퍼레이터는 양극과 음극 사이에 배치된다. 전극 적층은 리튬 이온 및 일반적으로 비-수용성 액체를 포함하는 전해질과 접촉된다. 전극 적층 및 전해질은 적당한 컨테이너 내에 밀봉된다.The high energy battery described herein may have a negative electrode formed, for example, with a conventional lithium intercalated carbon material. Suitable negative electrode active materials include, for example, lithium intercalated carbon, some metal alloys, some silicon materials, and some metal oxides. The separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode. The electrode stack is in contact with an electrolyte comprising lithium ions and generally a non-aqueous liquid. The electrode stack and electrolyte are sealed in a suitable container.

음극 층간삽입 물질의 성질은 전압이 캐소드 및 애노드에서 반쪽 전지 전위 간의 차이 전압이기 때문에 생성된 배터리 전압에 영향을 미친다. 적당한 음극 리튬 층간삽입 조성물은, 예를 들면 흑연, 합성 흑연, 경질 탄소, 중간상 탄소, 적절한 카본 블랙, 코크스, 풀러렌, 오산화니오브, 금속간 합금, 규소 합금, 주석 합금, 규소, 산화티탄, 산화주석, 및 리튬 산화티탄을 포함할 수 있고, 예컨대 LixTiO2, 0.5<x≤1 또는 Li1+xTi2-x04, 0≤x≤1/3이다. 음극에 사용하기에 적당한 경질 탄소는 "열분해된 경질 탄소 물질, 이의 제조 및 용도(Pyrolyzed Hard Carbon Material, Preparation and its Applications)"를 발명의 명칭으로 하는 Wang 등에 의한 미국 특허 출원 제2003/0157014호A에 추가로 기술되어 있고, 이는 본원에 참고 인용되어 있다. 합금을 기초로 하는 애노드는, 예를 들면 "비 수용성 리튬 전지 및 배터리를 위한 금속간 음극(Intermetallic Nagative Electrodes for Non-Aqueous Lithium Cells and Batteries)"를 발명의 명칭으로 하는 Thackeray 등에 의한 미국 특허 제6,730,429호, "리튬 이온 배터리용 전극으로 유용한 규소 함유 합금(Silicon-Containing Alloys Useful as Electrodes for Lithium-Ion Batteries)"를 발명의 명칭으로 하는 Le에 의한 공개된 미국 특허 출원 제2007/0148544호A1 및 "애노드 활성 물질 및 이를 사용하는 배터리(Anode Active Material and Battery Using it)"을 명칭으로 하는 Yamaguchi 등에 의한 미국 특허 제7,229,717호에 추가로 기술되어 있으며, 이 3개의 문헌들 모두 본원에 참고 인용되어 있다. 금속 합금은 층간삽입 탄소 및/또는 전도성 탄소와 조합될 수 있다. 음극 활성 물질은 중합체 결합제와 조합될 수 있고 집전체와 연관되어 음극을 형성할 수 있다. 유사하게, 바람직한 사이클링 기능을 갖는 적절한 방전 전압을 제공하는 다른 적절한 전기 활성 음극 조성물이 사용될 수 있다. 추가의 음극 물질은 "금속간 조성물, 금속간 조성물을 지닌 음극 및 배터리(Inter-metallic Compositions, Nagative Electrodes With Inter-Metallic Compositions and Batteries)"를 발명의 명칭으로 하는 Kumar에 의한 동시계류 중인 가 특허 출원 연속 번호 제61/002,619호, 및 "특정 음극 조성물을 지닌 리튬 이온 배터리(Lithium Ion Batteries With Particular Negative Electrode Compositions")를 발명의 명칭으로 하는 Kumar 등에 의한 연속 번호 제61/125,476호에 기술되어 있고, 이 문헌들은 둘다 본원에 참고 인용되어 있다. 일부 구체예에서, 음극은 애노드 물질을 압축 후 집전체의 각 면 상에 65 미크론∼200 미크론, 추가 구체예에서는 75 미크론∼150 미크론의 두께를 가질 수 있다. 일부 구체예에서, 애노드는 약 1.5∼1.7 g/㎖의 밀도를 갖는다. 당업자라면 상기 명백한 범위 내에서 전극 두께의 추가 범위가 고려되고 본 발명의 명세서 내용 내에 속하는 것을 알 것이다.The nature of the negative intercalation material affects the resulting battery voltage because the voltage is the difference voltage between the half cell potentials at the cathode and anode. Suitable negative electrode lithium intercalating compositions are, for example, graphite, synthetic graphite, hard carbon, mesophase carbon, suitable carbon black, coke, fullerene, niobium pentoxide, intermetallic alloys, silicon alloys, tin alloys, silicon, titanium oxide, tin oxide And lithium titanium oxide, such as Li x TiO 2 , 0.5 <x ≦ 1 or Li 1 + x Ti 2-x 0 4 , 0 ≦ x ≦ 1/3. Hard carbon suitable for use in the negative electrode is US patent application 2003 / 0157014A to Wang et al. Entitled "Pyrolyzed Hard Carbon Material, Preparation and its Applications". It is further described in, which is incorporated herein by reference. Alloy based anodes are described, for example, in US Pat. No. 6,730,429 to Thackeray et al., Entitled "Intermetallic Nagative Electrodes for Non-Aqueous Lithium Cells and Batteries." Published US patent application Ser. No. 2007/0148544 A1 by Le, entitled " Silicon-Containing Alloys Useful as Electrodes for Lithium-Ion Batteries, " Further described in US Pat. No. 7,229,717 to Yamaguchi et al. Entitled "Anode Active Material and Battery Using it", all three of which are incorporated herein by reference. The metal alloy may be combined with intercalated carbon and / or conductive carbon. The negative electrode active material can be combined with the polymeric binder and associated with the current collector to form the negative electrode. Similarly, other suitable electroactive cathode compositions may be used which provide a suitable discharge voltage with the desired cycling function. Additional negative electrode material is co-pending patent pending by Kumar entitled "Inter-metallic Compositions, Nagative Electrodes With Inter-Metallic Compositions and Batteries". Serial number 61 / 002,619 and serial number 61 / 125,476 by Kumar et al., Entitled "Lithium Ion Batteries With Particular Negative Electrode Compositions", Both of these documents are incorporated herein by reference. In some embodiments, the negative electrode may have a thickness of 65 microns to 200 microns, and in further embodiments 75 microns to 150 microns on each side of the current collector after compacting the anode material. In some embodiments, the anode has a density of about 1.5-1.7 g / ml. Those skilled in the art will recognize that further ranges of electrode thicknesses are contemplated within the above apparent range and are within the scope of the present disclosure.

양극 활성 조성물 및 음극 활성 조성물은 일반적으로 중합체 결합제를 지닌 상응한 전극에서 함께 유지되는 분말 조성물이다. 결합제는 전해질과 접촉하는 경우 활성 입자에 이온 전도성을 제공한다. 적당한 중합체 결합제는, 예를 들어 폴리비닐리딘 플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아크릴레이트, 고무, 예컨대 에틸렌-프로필렌-디엔 단량체(EPDM) 고무 또는 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물을 포함한다. 결합제 중의 양극 활성 물질의 적재량은 많을 수 있는데, 예를 들어 약 80 중량%보다 많을 수 있다. 그러한 양극 내 양극 활성 물질 분말의 많은 적재량은 고 분자량을 지닌 중합체를 사용하여 더욱 바람직하고 재현가능한 정도의 물리적 안정성으로 형성될 수 있다. 특히, 일부 구체예에서, PVDF 중합체 결합제는 약 800,000 원자량 단위(AMU) 이상, 추가 구체예에서 약 850,000 AMU 이상, 추가 구체예에서 약 900,000 AMU 이상, 추가 구체예에서 약 1,000,000 AMU∼5,000,000 AMU의 평균 분자량을 갖는다. 당업자라면 상기 명백한 범위 내에서 조성물의 추가 범위가 고려되고 본 발명의 명세서 내용 내에 속하는 것을 알 것이다. 전극을 형성시키기 위해, 분말은 적당한 액체, 예컨대 중합체를 위한 용매 중에서 중합체와 배합될 수 있다. 생성된 페이스트는 전극 구조물 내로 압착시킬 수 있다. The positive electrode active composition and the negative electrode active composition are generally powder compositions that are held together at the corresponding electrode with a polymeric binder. The binder provides ionic conductivity to the active particles when in contact with the electrolyte. Suitable polymer binders are, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene oxide, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylates, rubbers, such as ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber or styrene Butadiene rubber (SBR), copolymers thereof and mixtures thereof. The loading of the positive electrode active material in the binder can be high, for example greater than about 80% by weight. Large loadings of the powder of the positive electrode active material in such a positive electrode can be formed with more preferred and reproducible physical stability using polymers with high molecular weight. In particular, in some embodiments, the PVDF polymer binder has an average of at least about 800,000 atomic weight units (AMUs), at least about 850,000 AMU in further embodiments, at least about 900,000 AMU in further embodiments, and about 1,000,000 AMU to 5,000,000 AMU in further embodiments. Have a molecular weight. Those skilled in the art will recognize that further ranges of the compositions are considered within the above apparent scope and are within the scope of the present disclosure. To form the electrode, the powder can be combined with the polymer in a suitable liquid, such as a solvent for the polymer. The resulting paste may be pressed into the electrode structure.

양극 조성물, 및 가능하게는 음극 조성물은 또한 일반적으로 전기 활성 조성물과 별도로 전기 전도성 분말을 포함한다. 적당한 보충용 전기 전도성 분말은, 예를 들어 흑연, 카본 블랙, 금속 분말, 예컨대 은 분말, 금속 섬유, 예컨대 스테인레스 강 섬유 등, 및 이들의 조합물을 포함한다. The positive electrode composition, and possibly the negative electrode composition, also generally comprises an electrically conductive powder, separate from the electroactive composition. Suitable supplemental electrically conductive powders include, for example, graphite, carbon black, metal powders such as silver powder, metal fibers such as stainless steel fibers, and the like, and combinations thereof.

전극은 일반적으로 전기 전도성 집전체와 관련되어 전극과 외부 회로 사이의 전자의 유동을 용이하게 한다. 집전체는 금속, 예컨대 금속 호일, 금속 그리드 또는 스크린, 또는 전신 금속을 포함할 수 있다. 전신 금속 집전체는 더 많은 양의 전극 물질이 금속 그리드 내에 배치되도록 하는 더 두꺼운 두께를 갖는 금속 그리드를 지칭한다. 일부 구체예에서, 집전체는 니켈, 알루미늄, 스테인레스 강, 구리 등으로부터 형성시킬 수 있다. 전극 물질은 집전체와 접촉하여 캐스팅(casting)될 수 있다. 예를 들면, 일부 구체예에서, 집전체 호일 또는 다른 구조물과 접촉하는 전극 물질은 약 2∼약 10 kg/cm2(킬로그램/제곱 센티미터)의 압력이 가해질 수 있다. 압착된 구조물은, 예를 들어 오븐에서 건조시켜 전극으로부터 용매를 제거시킬 수 있다. 금속 호일은 집전체로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 구리 호일은 음극용 집전체로서 사용될 수 있고 알루미늄 호일은 양극용 집전체로서 사용될 수 있다. 캐소드 물질의 페이스트 또는 슬러리는 호일의 양면 상에 코팅될 수 있다. 그리고나서, 전극은 캘린더링 롤(calendering roll), 다이를 지닌 프레스 또는 다른 적당한 가공 장치를 이용하여 압착시켜 바람직한 두께로 전극을 압축시킬 수 있다. 양극은 집전체의 각 면 상에 적재하는 20 mg/cm2∼50 mg/cm2의 활성 물질 입자를 가질 수 있다. 양극은 2.5 그램/밀리리터(g/㎖) 이상, 추가 구체예에서 약 2.8 g/㎖ 이상, 추가 구체예에서 약 3.0 g/㎖∼약 3.5 g/㎖ 이상의 밀도를 가질 수 있다. 당업자라면 상기 명백한 범위 내에서 활성 물질 적재량의 추가 범위가 고려되고 본 발명의 명세서 내용 내에 속하는 것을 알 것이다.The electrode is generally associated with an electrically conductive current collector to facilitate the flow of electrons between the electrode and the external circuit. The current collector may comprise a metal, such as a metal foil, a metal grid or screen, or a whole body metal. Full-body metal current collector refers to a metal grid having a thicker thickness that allows a greater amount of electrode material to be disposed within the metal grid. In some embodiments, the current collector may be formed from nickel, aluminum, stainless steel, copper, and the like. The electrode material may be cast in contact with the current collector. For example, in some embodiments, the electrode material in contact with the current collector foil or other structure may be subjected to a pressure of about 2 to about 10 kg / cm 2 (kg / square centimeter). The compacted structure can be dried, for example, in an oven to remove solvent from the electrode. The metal foil can be used as the current collector. For example, copper foil can be used as the current collector for negative electrode and aluminum foil can be used as the current collector for positive electrode. Pastes or slurries of the cathode material may be coated on both sides of the foil. The electrode may then be pressed using a calendering roll, a die with a die, or other suitable processing device to compress the electrode to the desired thickness. The positive electrode may have 20 mg / cm 2 to 50 mg / cm 2 of active material particles loaded on each side of the current collector. The positive electrode may have a density of at least 2.5 grams / milliliter (g / ml), in further embodiments at least about 2.8 g / ml, and in further embodiments at least about 3.0 g / ml to about 3.5 g / ml. Those skilled in the art will appreciate that further ranges of active substance loadings are considered within the above apparent scope and are within the scope of the present disclosure.

세퍼레이터는 양극과 음극 사이에 위치시킨다. 세퍼레이터는 2개의 전극 사이에서 적어도 선택된 이온 전도성을 제공하면서 전기 절연되는 것이다. 다양한 물질들이 세퍼레이터로 사용될 수 있다. 예를 들면, 다공성 매트 내에 형성시킨 유리 섬유가 세퍼레이터로서 사용될 수 있다. 상용 세퍼레이터 물질은 일반적으로 이온성 전도를 제공하는 다공성 시트인 중합체, 예컨대 폴리에틸렌 및/또는 폴리프로필렌으로부터 형성된다. 상용 중합체 세퍼레이터는, 예를 들어 Hoechst Celanese(미국 노스캐롤라이나주 샤롯 소재)의 세퍼레이터 물질의 Celgard® 라인을 포함한다. 적당한 세퍼레이터 물질은, 예를 들어 12 미크론∼40 미크론 두께의 3중층 폴리프로필렌-폴리에틸렌-폴리프로필렌 시트, 예컨대 12 미크론의 두께를 지닌 Celgard® M824를 포함한다. 또한, 세라믹-중합체 복합 물질은 세퍼레이터 용도로 개발되었다. 그러한 복합 세퍼레이터는 고온에서 안정할 수 있고, 그 복합 물질은 화재 위험을 유의적으로 감소시킬 수 있다. 세퍼레이터 물질을 위한 중합체-세라믹 복합재는 "전기 세퍼레이터, 이의 제조 방법 및 용도(Electric Separator, Method for Producing the Same and the Use Thereof)"를 발명의 명칭으로 하는 Hennige 등에 의한 미국 특허 출원 제2005/0031942호 A에 추가로 기술되어 있으며, 이는 본원에 참고 인용되어 있다. 리튬 이온 배터리 세퍼레이터를 위한 중합체-세라믹 복합재는 Evonik Industries(독일 소재)에 의해 상품명 Separion®으로 시판되고 있다. The separator is positioned between the anode and the cathode. The separator is one that is electrically insulated while providing at least selected ion conductivity between the two electrodes. Various materials can be used as the separator. For example, glass fibers formed in a porous mat can be used as the separator. Commercial separator materials are generally formed from polymers, such as polyethylene and / or polypropylene, which are porous sheets that provide ionic conduction. Commercial polymer separators include, for example, the Celgard ® line of separator materials from Hoechst Celanese (Charlotte, NC, USA). Suitable separator materials are, for example, a 12 micron to 40 micron thick 3-layer polypropylene and a polypropylene sheet, for example, Celgard ® M824 having a thickness of 12 micron polyethylene. In addition, ceramic-polymer composite materials have been developed for separator applications. Such composite separators can be stable at high temperatures, and the composite material can significantly reduce the risk of fire. Polymer-ceramic composites for separator materials are described in US Patent Application No. 2005/0031942 by Hennige et al. Entitled “Electric Separator, Method for Producing the Same and the Use Thereof”. It is further described in A, which is incorporated herein by reference. Polymer-ceramic composites for lithium ion battery separators are commercially available from Evonik Industries under the trade name Separion®.

리튬 이온 배터리를 위한 전해질은 리튬 염에서 선택된 것 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 적절한 리튬 염은 일반적으로 불활성 음이온을 갖는다. 적당한 리튬 염은, 예를 들어 리튬 헥사플루오로포스페이트, 리튬 헥사플루오로아르세네이트, 리튬 비스(트리플루오로메틸 설포닐 이미드), 리튬 트리플루오로메탄 설포네이트, 리튬 트리스(트리플루오로메틸 설포닐) 메타이드, 리튬 테트라플루오로보레이트, 리튬 퍼클로레이트, 리튬 테트라클로로알루미네이트, 리튬 클로라이드 및 이들의 조합물을 포함한다. 전형적으로, 전해질은 1 M 농도의 리튬 염을 포함한다. 일부 구체예에서, 통상의 전해질 조성물, 예컨대 LiPF6의 1 몰 용액은 용적 비에 의해 1 ℓ에 대한 1로 에틸렌 카르보네이트와 디메틸카르보네이트의 배합물에서 사용될 수 있다. 일부 특정 구체예에서, 또한 일반적으로 전극을 위한 세퍼레이터로도 작용하는 고체 전해질이 사용될 수 있다. 고체 전해질은, 예를 들어 "고체 전해질, 이의 제조 방법 및 이를 사용하는 배터리(Solid Electrolyte, Method for Preparing the Same, and Battery Using the Same)"를 명칭으로 하는 Park 등에 의한 미국 특허 제7,273,682호에 추가로 기술되어 있고, 이는 본원에 참고 인용되어 있다. The electrolyte for a lithium ion battery may comprise one or more of those selected from lithium salts. Suitable lithium salts generally have inert anions. Suitable lithium salts are, for example, lithium hexafluorophosphate, lithium hexafluoroarsenate, lithium bis (trifluoromethyl sulfonyl imide), lithium trifluoromethane sulfonate, lithium tris (trifluoromethyl Sulfonyl) metades, lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate, lithium tetrachloroaluminate, lithium chloride and combinations thereof. Typically, the electrolyte comprises a lithium salt at a concentration of 1 M. In some embodiments, a conventional electrolyte composition, such as a 1 molar solution of LiPF 6 , may be used in the combination of ethylene carbonate and dimethylcarbonate to 1 to 1 L by volume ratio. In some specific embodiments, solid electrolytes may also be used that generally also serve as separators for the electrodes. Solid electrolytes are, for example, added to US Pat. No. 7,273,682 to Park et al. Entitled "Solid Electrolyte, Method for Preparing the Same, and Battery Using the Same". Which is incorporated herein by reference.

관심 리튬 이온 배터리의 경우, 비-수용성 액체는 일반적으로 리튬 염(들)을 용해시키는데 사용된다. 용매는 일반적으로 불활성을 갖고 전기활성 물질을 용해시키지 않는다. 적절한 용매는, 예를 들어 프로필렌 카르보네이트, 디메틸 카르보네이트, 디에틸 카르보네이트, 2-메틸 테트라히드로푸란, 디옥솔란, 테트라히드로푸란, 메틸 에틸 카르보네이트, γ-부티로락톤, 디메틸 설폭시드, 아세토니트릴, 포름아미드, 디메틸 포름아미드, 트리글라임(트리(에틸렌 글리콜) 디메틸 에테르), 디글라임(디에틸렌 글리콜 디메틸 에테르), DME(글라임 또는 1,2-디메틸옥시에탄 또는 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르), 니트로메탄 및 이들의 혼합물을 포함한다.For lithium ion batteries of interest, non-aqueous liquids are generally used to dissolve the lithium salt (s). The solvent is generally inert and does not dissolve the electroactive material. Suitable solvents are, for example, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, 2-methyl tetrahydrofuran, dioxolane, tetrahydrofuran, methyl ethyl carbonate, γ-butyrolactone, dimethyl Sulfoxide, acetonitrile, formamide, dimethyl formamide, triglyme (tri (ethylene glycol) dimethyl ether), diglyme (diethylene glycol dimethyl ether), DME (glyme or 1,2-dimethyloxyethane or ethylene Glycol dimethyl ether), nitromethane and mixtures thereof.

본원에 기술된 전극은 각종 상용 전지 구조 내로 혼입될 수 있다. 예를 들면, 캐소드 조성물은 프리즘형 전지, 감긴 원통형 전지, 코인형 전지, 파우치형 전지 또는 기타 적당한 전지 형상에 사용될 수 있다. 실시예에서 테스트는 코인형 전지 및 파우치형 전지를 사용하여 수행된다. 전지는 단일 양극 구조, 또는 병렬 및/또는 직렬 전기 접속부(들)로 조립된 복수의 양극을 지닌 적층된 구조를 포함할 수 있다. 특히, 배터리는 교대로 양극 및 음극의 적층과 이들 사이의 세퍼레이터를 포함할 수 있다. 일반적으로, 복수의 전극은 병렬로 접속되어 한쌍의 양극 및 음극으로 달성된 전압에서 전류를 증가시킨다. 양극 활성 물질이 1차 또는 단일 충전 사용을 위한 배터리에 사용되는 반면, 생성된 배터리는 일반적으로 전지의 복수 사이클링보다 2차 배터리 사용을 위해 바람직한 사이클링 특성을 갖는다. The electrodes described herein can be incorporated into various commercial cell structures. For example, the cathode composition can be used in prismatic cells, wound cylindrical cells, coin cells, pouch cells or other suitable cell shapes. In the examples the tests are performed using coin-type and pouch-type cells. The cell may comprise a single anode structure, or a stacked structure having a plurality of anodes assembled in parallel and / or series electrical connection (s). In particular, the battery may alternately comprise a stack of positive and negative electrodes and a separator therebetween. Generally, a plurality of electrodes are connected in parallel to increase the current at a voltage achieved with a pair of anodes and cathodes. While positive electrode active materials are used in batteries for primary or single charge use, the resulting batteries generally have cycling characteristics desirable for secondary battery use over multiple cycling of cells.

일부 구체예에서, 양극 및 음극은 이들 사이에 세퍼레이터와 함께 적층될 수 있고, 생성된 적층 구조는 원통형 또는 프리즘형 배치로 롤링하여 배터리 구조를 형성시킬 수 있다. 적절한 전기 전도성 탭은 집전체에 용접 등이 될 수 있고 생성된 젤-롤링 구조는 금속 캐니스터 또는 중합체 패키지 내에 배치될 수 있고, 음성 탭 및 양성 탭은 적절한 외부 접촉으로 용접된다. 전해질은 캐니스터에 첨가되고, 그 캐니스터 또는 패키지를 밀봉하여 배터리를 완성한다.In some embodiments, the positive electrode and the negative electrode can be laminated with a separator therebetween, and the resulting laminated structure can be rolled into a cylindrical or prismatic arrangement to form a battery structure. Suitable electrically conductive tabs may be welded to the current collector and the like, and the resulting gel-rolling structure may be placed in a metal canister or polymer package and the negative and positive tabs are welded with appropriate external contacts. The electrolyte is added to the canister and seals the canister or package to complete the battery.

일부 기존에 사용된 재충전가능한 상용 전지는, 예를 들어 다른 전지 크기도 사용될 수 있지만 원통형 18650 전지(직경 18 mm, 길이 65 mm) 및 26700 전지(직경 26 mm, 길이 70 mm)를 포함한다. 원통형 전지는 광범위하게 사용되는 배터리 패키징 포멧이다. 원통형의 전지는 높은 내압 및 외압에도 잘 견딜 수 있는 능력을 갖는다. 추가적으로, 원통형 전지는 과도한 내압을 방출하는 배출 메카니즘(venting mechanism)을 가질 수 있다. 하지만, 이 전지의 원통 형상 및 고정된 크기로 인해, 원통형 배터리 전지는 일반적으로 공간 활용이 낮으므로 이용가능한 전지 크기 정도로 설계되어야 한다. 원통형 전지에서, 전극 및 세퍼레이터는 길고 얇은 시트로 제조될 수 있고 경우에 따라 로드 형태의 양단자 주변에 침상형 또는 젤-롤링형으로 롤링될 수 있다. 대안적으로, 전극은 평판형 만드렐(flat mandrel) 상에 감겨서 편평한 형상을 제공할 수 있고 이는 프리즘 케이스 내부에 장착되어 프리즘형 전지가 제조될 수 있다. 전극은 대안적으로 또는 추가적으로 프리즘형 전지 내에 적층될 수 있다.Some previously used rechargeable commercial cells include, for example, cylindrical 18650 cells (18 mm in diameter, 65 mm in length) and 26700 cells (26 mm in diameter, 70 mm in length), although other cell sizes may also be used. Cylindrical cells are a widely used battery packaging format. Cylindrical cells have the ability to withstand high internal and external pressures. In addition, the cylindrical cell may have a venting mechanism that releases excessive internal pressure. However, because of the cylindrical shape and fixed size of these cells, cylindrical battery cells generally have low space utilization and must be designed to the size of available cells. In cylindrical cells, the electrodes and separators can be made into long thin sheets and optionally rolled in needle or gel-rolling around both rod-shaped terminals. Alternatively, the electrode can be wound on a flat mandrel to provide a flat shape which can be mounted inside a prism case to produce a prismatic cell. The electrodes may alternatively or additionally be stacked in a prismatic cell.

프리즘형 전지는 다양한 크기 및 에너지 소비를 충족시키는 맞춤형이 될 수 있도록 다양한 크기로 제조될 수 있다. 프리즘형 전지의 한가지 버전은 파우치형 전지로서 언급되고 있고, 이 전지는 일반적으로 금속 캔의 대체물로서 롤링되거나 적층된 전극 및 세퍼레이터를 에워싸는 열 차폐성 호일을 갖는다. 파우치형 전지 배터리 포멧은 일반적으로 정확한 전지 치수로 조정되고 이용가능한 공간이 가장 효율적으로 이용되도록 하고 때때로 배터리 팩 중에서 가장 높은 90∼95%의 패키징 효율을 실현할 수 있다. 금속 캔의 부재로 인해, 파우치형 전지는 일반적으로 가볍다. 프리즘형 및 파우치형 전지 포멧은 양극과 음극 사이의 세퍼레이터를 지닌 층 내에 함께 삽입된 복수의 양극 시트 및 음극 시트를 함유할 수 있다.Prismatic cells can be manufactured in various sizes to be tailored to meet various sizes and energy consumptions. One version of a prismatic cell is referred to as a pouch cell, which generally has a heat shield foil that surrounds the rolled or stacked electrodes and separators as an alternative to metal cans. Pouch-type battery battery formats are generally adjusted to the correct cell dimensions and allow the available space to be used most efficiently and sometimes achieve the highest packaging efficiency of 90-95% of battery packs. Due to the absence of metal cans, pouch-type batteries are generally light. Prismatic and pouch cell formats can contain a plurality of positive electrode sheets and negative electrode sheets inserted together in a layer with a separator between the positive and negative electrodes.

본원에 기술된 전지를 위한 매우 높은 에너지를 실현하기 위해서는, 양극 구조는 일반적으로 본원에 기술된 높은 용량 캐소드 전기 활성 조성물을 포함한다. 하지만, 또한 양극은 일반적으로 전극 내로 전기활성 물질의 높은 적재량과 전기 전도성 분말 및 결합제의 상응한 감소를 수반한다. 전극은 높은 입자 적재시 적절한 응집성을 가져야 한다. 이것은 중합체 결합제의 적절한 선택에 의해, 예컨대 높은 분자량 결합제 및/또는 고무 중합체를 사용함으로써 달성될 수 있다.In order to realize very high energy for the cells described herein, the positive electrode structure generally comprises the high capacity cathode electroactive composition described herein. However, anodes also generally involve high loadings of electroactive material and corresponding reductions in electrically conductive powders and binders into the electrodes. The electrode should have adequate cohesion at high particle loadings. This can be achieved by appropriate choice of polymer binders, for example by using high molecular weight binders and / or rubber polymers.

일부 특정 구체예에서, 양극은 약 90∼약 99 중량%, 추가 구체예에서 약 92∼98 중량%, 추가 구체예에서 약 92.∼약 97.5 중량%, 다른 구체예에서 약 92.5∼약 97 중량%의 활성 물질을 포함할 수 있다. 유사하게, 양극은 약 0.1∼약 8 중량%, 추가 구체예에서 약 0.5∼약 6 중량%, 추가 구체예에서 약 1∼약 5 중량%의 보충용 전기 전도성 물질을 포함할 수 있다. 게다가, 양극은 약 0.5∼약 8 중량%의 중합체 결합제, 추가 구체예에서 약 1.0∼약 6 중량%의 중합체 결합제, 추가 구체예에서 약 1.5∼약 5 중량%의 중합체 결합제를 포함할 수 있다. 당업자라면 상기 명백한 범위 내에서 양극 조성물 양의 추가 범위가 고려되고 본 발명의 명세서 내용 내에 속하는 것을 알 것이다. 적당한 전도성 물질은, 예를 들어 흑연 분말, 카본 블랙, 이들의 조합물 등을 포함한다.In some specific embodiments, the positive electrode is about 90 to about 99 weight percent, about 92 to 98 weight percent in further embodiments, about 92. to about 97.5 weight percent in further embodiments, about 92.5 to about 97 weight in other embodiments May comprise% active material. Similarly, the positive electrode may comprise from about 0.1 to about 8 weight percent, in further embodiments from about 0.5 to about 6 weight percent, and in further embodiments from about 1 to about 5 weight percent supplementary electrically conductive material. In addition, the positive electrode may comprise from about 0.5 to about 8 weight percent of a polymeric binder, in further embodiments from about 1.0 to about 6 weight percent of a polymeric binder, and in further embodiments from about 1.5 to about 5 weight percent of a polymeric binder. Those skilled in the art will appreciate that further ranges of positive electrode composition amounts are contemplated and fall within the context of the present invention within the above apparent range. Suitable conductive materials include, for example, graphite powder, carbon black, combinations thereof, and the like.

본원에 기술된 배터리는 높은 정도의 안전성을 제공하는 활성 물질로 형성된다. 상용 리튬 이온 배터리는 불이 붙는 배터리의 경우로 인해 안전성 문제에 곤란을 겪고 있다. 비교적 고 에너지 용량을 갖는 상용 전지와 대조적으로, 본원에 기술된 전지는 상응한 불안정성을 갖지 않는 물질을 기초로 하고 있기 때문에 본 발명의 전지는 열 폭주(thermal run away)를 나타내지 않는다. 본원에 기술된 전지가 가열되는 경우, 그 전지는 자연적으로 불이 붙도록 반응하지 않는다. 비교적 높은 에너지의 상용 리튬 이온 전지는 열폭주를 나타내고, 그 가열된 전지는 반응이 진행되어 불이 붙게 된다. 따라서, 본 발명의 전지는 향상된 에너지 용량을 제공할 뿐만 아니라 사용 동안의 증가된 안전성을 제공한다.The batteries described herein are formed from active materials that provide a high degree of safety. Commercial lithium-ion batteries suffer from safety issues due to the case of fired batteries. In contrast to commercial cells with relatively high energy capacities, the cells of the present invention do not exhibit thermal run away because the cells described herein are based on materials that do not have corresponding instability. When the cell described herein is heated, the cell does not react naturally to ignite. A relatively high energy commercial lithium ion battery exhibits thermal runaway, and the heated battery undergoes a reaction and catches fire. Thus, the cells of the present invention not only provide improved energy capacity but also provide increased safety during use.

향상된 전지 성능Improved battery performance

상기 언급된 바와 같이, 양극 전기활성 물질은 우수한 사이클링과 함께 고 에너지 용량, 일반적으로 약 200 밀리암페어 시간/그램(mAh/g) 이상, 일부 구체예에서 약 225 mAh/g 이상, 추가 구체예에서 약 250 mAh/g 이상을 가질 수 있다. 본원에 기술된 전지 구조에 의해, 배터리는 바람직한 형상 및 크기로 된 배터리에서 약 240 와트-시간/킬로그램(Wh/kg), 추가 구체예에서 약 250∼550 Wh/kg, 일부 구체예에서 약 280∼500 Wh/kg, 추가 구체예에서 약 300∼450 Wh/kg의 전체 에너지 밀도를 가질 수 있다. 대안적으로, 용적 측면에서 측정되는 경우, 배터리는 바람직한 형상 및 크기로 된 배터리에서 약 550 와트-시간/리터(Wh/l) 이상, 추가 구체예에서 약 650∼1150 Wh/l, 일부 구체예에서 약 675∼1050 Wh/l, 추가 구체예에서 약 700∼1000 Wh/l의 전체 용적 에너지 밀도를 가질 수 있다. 배터리의 용적은, 예를 들어 전지 캐니스터의 단면적에 전지 캐니스터의 길이를 곱함으로써, 또는 배터리 전지의 길이에 너비 및 두께를 곱함으로써 구할 수 있다. 당업자라면 상기 명백한 범위 내에서 배터리 용량의 추가 범위가 고려되고 본 발명의 명세서 내용 내에 속하는 것을 알 것이다.As mentioned above, the positive electrode active material has a high energy capacity, generally at least about 200 milliamp hours / gram (mAh / g), in some embodiments at least about 225 mAh / g, with good cycling, in further embodiments May have about 250 mAh / g or more. By virtue of the cell structure described herein, the battery is about 240 watt-hours / kg (Wh / kg) in a battery of the desired shape and size, about 250-550 Wh / kg in further embodiments, about 280 in some embodiments It may have a total energy density of ˜500 Wh / kg, in further embodiments about 300-450 Wh / kg. Alternatively, when measured in terms of volume, the battery is at least about 550 watt-hours / liter (Wh / l) in a battery of the desired shape and size, in further embodiments from about 650 to 1150 Wh / l, in some embodiments At about 675-1050 Wh / l, and in further embodiments, at about 700-1000 Wh / l. The volume of the battery can be obtained, for example, by multiplying the cross section area of the cell canister by the length of the cell canister, or by multiplying the length of the battery cell by the width and thickness. Those skilled in the art will appreciate that further ranges of battery capacity are contemplated and fall within the specification of the present invention within the apparent scope above.

본 발명의 전지 구조와 대조적으로, 모두 Ishida 등에 의한 미국 특허 제7,201,997호 및 제7,166,385호(둘다 본원에 참고 인용됨)는 고 에너지 밀도 활성 물질을 지닌 리튬 이온 배터리의 측면에서 전극 두께에 대한 에너지 밀도, 수명 및 충방전 효율(rate capability)을 비롯한 상세한 내용을 기술하고 있다. 애노드 및 캐소드의 두께는 모두 60∼360 미크론으로 다양하고 그 데이타는 전극 두께가 증가함에 따라 수명 및 충방전 효율이 유의적으로 감소한다는 것을 나타내고 있다. 이러한 전지 구조는 통상의 양극 활성 물질을 혼입하였다. 상기 특허 문헌들은 그 내용 중에서 실현된 성능 수준을 보고하지 않고 있다. 본원에 기술된 전지에서, 양극은 더 높은 용량 활성 물질을 통해 높은 에너지를 제공하는 것 뿐만 아니라 더 많이 적재된 활성 물질을 이용하면서 보다 얇을 수 있다.In contrast to the cell structure of the present invention, US Pat. Nos. 7,201,997 and 7,166,385 (both of which are incorporated herein by reference), both by Ishida et al., Are energy density versus electrode thickness in terms of lithium ion batteries with high energy density active materials. Details are included, including lifetime, rate and rate capability. Both anode and cathode thicknesses vary from 60 to 360 microns and the data indicate that life and charge and discharge efficiency significantly decrease with increasing electrode thickness. This cell structure incorporates a conventional positive electrode active material. The patent documents do not report the level of performance realized in the context. In the cells described herein, the positive electrode can be thinner, not only providing high energy through higher capacity active materials, but also using more loaded active materials.

일반적으로, 배터리 성능을 평가하기 위해 각종 유사한 테스트 절차가 이용될 수 있다. 본원에는 기술된 성능 값의 평가에 대한 특정한 테스트 절차가 기술되어 있다. 그 테스트 절차는 하기 실시예에 좀 더 상세하게 기술되어 있다. 구체적으로는, 배터리는, 상응하게 상이한 결과를 갖는 다른 범위가 이용될 수도 있지만, 실온에서 4.6 V와 2.0 V 사이에서 사이클링될 수 있다. 4.6 V에서 2.0 V까지 범위에 대한 평가는 상업적 용도로서 바람직한데 그 이유는 배터리가 일반적으로 이 전압 범위에서 안정한 사이클링을 갖기 때문이다. 처음 제3 사이클의 경우, 배터리는 비가역적 용량 손실을 달성하기 위해 C/10의 속도에서 방전된다. 이어서 배터리는 C/5에서 제3 사이클을 사이클링한다. 제7 사이클 및 그 이후의 사이클의 경우에, 배터리는 중간 정도 전류 용도에 적당한 테스트 속도인 C/3의 속도에서 사이클링된다. 마찬가지로, 표기법 C/x는 배터리를 완전하게 방전시키는 속도에서 x시간에 선택된 더 낮은 전압 컷오프(cutoff)로 방전된다는 것을 의미한다. 배터리 용량은 일반적으로 방전 속도가 증가함에 따라 용량이 손실되면서 방전 속도에 따라 유의적으로 달라진다.In general, various similar test procedures can be used to evaluate battery performance. Described herein are specific test procedures for evaluating the described performance values. The test procedure is described in more detail in the Examples below. Specifically, the battery can be cycled between 4.6 V and 2.0 V at room temperature, although other ranges with correspondingly different results may be used. Evaluation of the range from 4.6 V to 2.0 V is desirable for commercial use because batteries generally have stable cycling in this voltage range. For the first third cycle, the battery is discharged at a rate of C / 10 to achieve irreversible capacity loss. The battery then cycles a third cycle at C / 5. In the case of the seventh and subsequent cycles, the battery is cycled at a rate of C / 3, which is a test rate suitable for medium current applications. Likewise, the notation C / x means that the battery is discharged at a lower voltage cutoff selected at x time at a rate of completely discharging the battery. Battery capacity generally varies significantly with discharge rate as capacity is lost as discharge rate increases.

일부 구체예에서, 양극 활성 물질은 235 밀리암페어 시간/그램(mAh/g) 이상, 추가 구체예에서 약 240 mAh/g∼약 310 mAh/g, 추가 구체예에서 약 245 mAh/g∼약 300 mAh/g, 다른 구체예에서 약 250 mAh/g∼약 290 mAh/g의, C/3 방전 속도에서 제10 사이클 동안 비용량을 갖는다. 추가적으로, 물질의 제20 사이클 방전 용량은 C/3의 방전 속도에서 사이클링된 제5 사이클 방전 용량의 약 98% 이상, 추가 구체예에서 98.5%이다. 본 발명자들은 금속 플루오르화물 코팅된 전기활성 물질에 대한 제1 사이클 비가역적 용량 손실이 비코팅된 물질의 등가 성능과 비교하여 약 25% 이상, 추가 구체예에서 약 30%∼약 60% 감소될 수 있다는 것을 밝혀내었다. 물질의 탭 밀도는 약 1.8 g/㎖ 이상, 추가 구체예에서 약 2∼약 3.5 g/㎖, 추가 구체예에서 약 2.05∼약 2.75 g/㎖일 수 있다. 높은 탭 밀도는 고정 용적으로 제공된 배터리의 전체적인 높은 용량으로 바뀌게 된다. 당업자라면 상기 명백한 범위 내에서 비용량과 탭 밀도, 및 비가역적 용량 손실의 감소의 추가 범위가 고려되고 본 발명의 명세서 내용 내에 속하는 것을 알 것이다. 고정 용적 용도, 예컨대 전자 장치용 배터리의 경우, 높은 탭 밀도와 이에 따른 배터리의 전체적인 높은 용량이 특히 중요하다.In some embodiments, the positive electrode active material is at least 235 milliamp hours / gram (mAh / g), in further embodiments from about 240 mAh / g to about 310 mAh / g, in further embodiments from about 245 mAh / g to about 300 mAh / g, in other embodiments from about 250 mAh / g to about 290 mAh / g, having a specific capacity for a tenth cycle at a C / 3 discharge rate. Additionally, the 20th cycle discharge capacity of the material is at least about 98% of the fifth cycle discharge capacity cycled at a discharge rate of C / 3, and in further embodiments 98.5%. The inventors have found that the first cycle irreversible capacity loss for the metal fluoride coated electroactive material can be reduced by at least about 25% compared to the equivalent performance of the uncoated material, and in further embodiments from about 30% to about 60%. Found out. The tap density of the material may be at least about 1.8 g / ml, in further embodiments from about 2 to about 3.5 g / ml, and in further embodiments, from about 2.05 to about 2.75 g / ml. The high tap density translates into the overall high capacity of the battery provided in fixed volumes. Those skilled in the art will appreciate that further ranges of reduction in specific capacity and tap density, and irreversible capacity loss within the above apparent range are considered and are within the context of the present disclosure. For fixed volume applications, such as batteries for electronic devices, high tap density and thus overall high capacity of the battery is of particular importance.

일반적으로, 탭 밀도는 언급된 탭핑(tapping) 조건 하에 얻어진 겉보기 분말 밀도(apparent powder density)이다. 분말의 겉보기 밀도는 분말의 개별 입자가 얼마나 조밀하게 함께 패킹되는지에 따라 달라진다. 겉보기 밀도는 고체의 진밀도(true density) 뿐만 아니라 입자 크기 분포, 입자 형상 및 응집성에 의해 영향을 받는다. 분말화된 물질의 취급 또는 진동은 일부의 응집력을 극복할 수 있도록 하고, 이는 보다 작은 입자들이 보다 큰 입자들 사이의 공간으로 작용하면서 나아갈 수 있도록 입자들이 서로 움직이도록 할 수 있다. 결과적으로, 분말에 의해 차지되는 전체 용적은 감소하게 되고 분말의 밀도는 증가하게 된다. 궁극적으로, 추가의 천연 입자 패킹은 압력의 추가 없이는 측정될 수 없고 입자 패킹의 상한을 실현하였다. 압력이 추가된 전극이 형성되지만, 적당한 양의 압력은 오직 배터리 전극에서 전기활성 물질의 특정한 패킹 밀도를 형성하는 데에만 효율적이다. 전극에서 실제 밀도는 일반적으로 분말에서 측정된 탭 밀도와 관련되기 때문에 탭 밀도 측정은, 배터리 전극에서 보다 높은 패킹 밀도에 상응한 보다 높은 탭 밀도를 갖는 배터리 전극에서 패킹 밀도를 예상되게 한다.In general, the tap density is the apparent powder density obtained under the mentioned tapping conditions. The apparent density of the powder depends on how tightly the individual particles of the powder are packed together. Apparent density is influenced by the true density of the solids as well as by the particle size distribution, particle shape and cohesiveness. Handling or vibration of the powdered material allows some cohesion to be overcome, which allows the particles to move together so that smaller particles can move forward as they act as spaces between the larger particles. As a result, the total volume occupied by the powder is reduced and the density of the powder is increased. Ultimately, additional natural particle packing could not be measured without the addition of pressure and realized the upper limit of particle packing. Pressured electrodes are formed, but moderate amounts of pressure are only effective at forming a particular packing density of electroactive material at the battery electrode. Since the actual density at the electrode is generally related to the tap density measured at the powder, the tap density measurement makes the packing density expected at the battery electrode with the higher tap density corresponding to the higher packing density at the battery electrode.

실시예 1∼3에서는 상이한 패키징을 갖는 배터리(예, 코인형 전지 대 파우치형 전지)를 구성하고 테스트하였다. 생성된 배터리를 Maccor 사이클 테스터로 테스트하여 충전-방전 곡선 및 사이클 수에 대한 사이클링 안정성을 얻었다.In Examples 1-3, batteries with different packaging (eg, coin-to-pouch cells) were constructed and tested. The resulting battery was tested with a Maccor cycle tester to obtain cycling stability over charge-discharge curves and number of cycles.

실시예Example 1 -  One - 코인형Coin type 전지 배터리 측정으로부터 결정되는  Determined from cell battery measurements 캐소드Cathode 용량 Volume

상기 실시예는 활성 물질의 높은 적재량으로 형성시킨 양극을 갖는 배터리로부터 이용가능한 고 에너지 밀도를 입증하고 있다. 활성 물질은 고 에너지 용량 뿐만 아니라 전극 내에 높은 적재량을 제공하는 입자 특성을 갖는다.This example demonstrates the high energy density available from a battery having a positive electrode formed with a high loading of active material. The active material has a high energy capacity as well as particle properties which provide a high loading in the electrode.

양극은 화학식 Li[Li0 .2Ni0 .175Co0 .01Mn0 .525]O2.0 및 플루오르화알루미늄의 표면 코팅을 갖는 캐소드 분말에 의해 형성되었다. 이 물질은 '735 출원의 실시예에 기술된 바와 같이 합성되었다. 캐소드 분말을 몇 시간 동안 자밀(jar mill)에서 전도성 탄소와 혼합시켰다. 생성된 분말을 자석 교반기를 사용하여 PVDF 및 N-메틸 피롤리돈(NMP) 용액과 혼합시켜 균질한 슬러리를 형성하였다. PVDF는 100만 원자량 단위(AMU)의 평균 분자량을 가졌다. 알루미늄 호일 상에 바람직한 두께로 슬러리를 코팅한 후 진공 건조시켰다. 건조된 코팅 호일을 바람직한 두께로 압축시키고, 코인형 전지 배터리에 용이하게 하기 위해 코팅된 호일로부터 전극을 펀칭하였다. 이에 따라 형성된 전극은 94.25 중량%의 캐소드 분말, 3 중량%의 전도성 탄소 및 2.75 중량%의 PVDF 결합제를 포함하였다. 전극은 적재량 수준 18.1 mg/cm2 및 밀도 3.0 g/㎖의 활성 캐소드 물질을 갖는다. 일반적으로, 동등한 전기 활성 분말 및 전기 전도성 탄소가 100만 AMU보다 유의적으로 낮은 분자량을 갖는 PVDF 중합체에 의해 가공되는 경우, 생성된 구조물은 전극 물질의 불충분한 부착성 및 응집성으로 인해 불량한 성능 및 조립의 곤란을 가지게 되었다.The positive electrode was formed by a cathode powder having a surface coating of aluminum fluoride O 2.0 and the formula Li [Li 0 .2 Ni 0 .175 Co 0 .01 Mn 0 .525]. This material was synthesized as described in the Examples of the '735 Application. The cathode powder was mixed with conductive carbon in a jar mill for several hours. The resulting powder was mixed with PVDF and N-methyl pyrrolidone (NMP) solution using a magnetic stirrer to form a homogeneous slurry. PVDF had an average molecular weight of 1 million atomic weight units (AMU). The slurry was coated on the aluminum foil to the desired thickness and then vacuum dried. The dried coating foil was compressed to the desired thickness and the electrodes were punched out of the coated foil to facilitate the coin cell battery. The electrode thus formed contained 94.25 wt% cathode powder, 3 wt% conductive carbon and 2.75 wt% PVDF binder. Electrode has a payload level of 18.1 mg / cm 2 And an active cathode material of density 3.0 g / ml. In general, when equivalent electroactive powders and electrically conductive carbons are processed by PVDF polymers having a molecular weight significantly lower than 1 million AMU, the resulting structures will exhibit poor performance and assembly due to insufficient adhesion and cohesiveness of the electrode materials. I had a hard time.

코인형 전지 배터리는 1 M LiPF6을 사용하여 아르곤 충전 건조 박스에서 조립되었다. 리튬 호일을 음극으로 사용하고 상용 세퍼레이터 물질을 양극 및 음극 사이에 배치하였다. 이 배터리 전지를 실온에서 C/10 속도, 즉 배터리 전지가 10시간에 방전되는 속도로 사이클링시켰다. MaccorTM 배터리 전지 테스터로 배터리 전지의 성능을 테스트하였다. 도 1에는 코인형 전지 배터리의 제1 충전-방전 사이클의 충전 및 방전 용량이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 캐소드 물질은 310 mAh/g의 초기 충전 용량 및 277 mAh/g의 방전 용량을 나타내었다. 다양한 속도로 배터리 전지를 4.6 V와 2.0 V 사이에서 사이클링시켰다. 도 2에는 50 사이클까지 측정되는 배터리 전지의 사이클링 안정성이 도시되어 있다. 처음 제3 사이클의 경우, 배터리는 C/10의 속도로 방전되어 비가역적 용량 손실을 달성하였다. 그리고나서 배터리를 C/5에서 제3 사이클로 사이클링하였다. 제7 사이클 및 그 이후 사이클의 경우, 배터리를 중간 정도 전류 용도에 적당한 테스트 속도인 C/3의 속도에서 사이클링시켰다. 마찬가지로, 표기법 C/x는 배터리를 완전하게 방전시키는 속도에서 x시간에 선택된 더 낮은 전압 컷오프로 방전된다는 것을 의미한다.The coin cell battery was assembled in an argon filled dry box using 1 M LiPF 6 . Lithium foil was used as the negative electrode and a commercial separator material was placed between the positive and negative electrodes. This battery cell was cycled at room temperature at a C / 10 rate, ie, the rate at which the battery cell was discharged at 10 hours. The battery cells were tested for performance with a Maccor Battery Cell Tester. 1 shows the charge and discharge capacity of a first charge-discharge cycle of a coin cell battery. As shown in FIG. 1, the cathode material exhibited an initial charge capacity of 310 mAh / g and a discharge capacity of 277 mAh / g. Battery cells were cycled between 4.6 V and 2.0 V at various speeds. 2 shows the cycling stability of a battery cell measured up to 50 cycles. For the first third cycle, the battery was discharged at a rate of C / 10 to achieve irreversible capacity loss. The battery was then cycled on a third cycle at C / 5. For the seventh and subsequent cycles, the battery was cycled at a rate of C / 3, a test rate suitable for medium current applications. Likewise, the notation C / x means that the battery is discharged with the lower voltage cutoff selected at x time at the rate of completely discharging the battery.

실시예Example 2 -  2 - 또다른Other 코인형Coin type 전지 배터리 측정에서 결정되는  Determined from cell battery measurement 캐소드Cathode 용량 Volume

상기 실시예는 리튬 층간삽입 물질을 포함한 애노드를 갖는 코인형 전지 배터리에 이용가능한 고 에너지 용량을 입증하고 있다. 코인형 전지는 활성 캐소드 물질의 높은 적재량에 의해 형성시킨 양극을 가졌다.This example demonstrates the high energy capacity available for coin cell batteries with an anode comprising a lithium intercalation material. Coin-type cells had a positive electrode formed by a high loading of active cathode material.

양극은 화학식 Li[Li0 .2Ni0 .175Co0 .01Mn0 .525]O2.0 및 플루오르화알루미늄의 표면 코팅을 갖는 캐소드 분말을 사용하여 형성되었다. 캐소드 분말을 몇 시간 동안 자밀에서 전도성 탄소와 혼합시켰다. 생성된 분말을 자석 교반기를 사용하여 PVDF 및 N-메틸 피롤리돈(NMP) 용액과 혼합시켜 균질한 슬러리를 형성하였다. 사용된 PVDF는 100만 AMU의 평균 분자량을 가졌다. 알루미늄 호일 상에 바람직한 두께로 슬러리를 코팅시킨후 진공 건조시켰다. 건조된 코팅 호일을 바람직한 두께로 압축시키고, 코인형 전지 배터리에 용이하게 하기 위해 코팅된 호일로부터 전극을 펀칭하였다. 이에 따라 형성된 전극은 94.25 중량%의 캐소드 분말, 3 중량%의 전도성 탄소 및 2.75 중량%의 PVDF 결합제를 포함하였다. 전극은 적재량 수준 20.2 mg/cm2의 활성 캐소드 물질을 갖는다.The positive electrode was formed by using the cathode powder having a surface coating of aluminum fluoride O 2.0 and the formula Li [Li 0 .2 Ni 0 .175 Co 0 .01 Mn 0 .525]. Cathode powder was mixed with conductive carbon in a magnetic mill for several hours. The resulting powder was mixed with PVDF and N-methyl pyrrolidone (NMP) solution using a magnetic stirrer to form a homogeneous slurry. The PVDF used had an average molecular weight of 1 million AMU. The slurry was coated on the aluminum foil to the desired thickness and then vacuum dried. The dried coating foil was compressed to the desired thickness and the electrodes were punched out of the coated foil to facilitate the coin cell battery. The electrode thus formed contained 94.25 wt% cathode powder, 3 wt% conductive carbon and 2.75 wt% PVDF binder. The electrode has an active cathode material of loading level 20.2 mg / cm 2 .

코인형 전지 배터리는 1 M LiPF6을 사용하여 아르곤 충전 건조 박스에서 조립되었다. 구리 호일 상에 코팅된 흑연 탄소는 음극으로 사용되고, 3중층(폴리프로필렌/폴리에틸렌/폴리프로필렌) 마이크로-다공성 세퍼레이터(Celgard, LLC(미국 노스캐롤라이나주 소재)로부터의 2320)를 양극과 음극 사이에 배치하였다. 이 배터리 전지를 실온에서 C/10 속도, 즉 배터리 전지가 10시간에 방전 및 충전되는 속도로 사이클링시켰다. MaccorTM 배터리 전지 테스터로 배터리 전지의 성능을 테스트하였다. 도 3에는 4.55 V 충전과 2.5 V 방전 컷오프 사이의 코인형 전지 배터리의 충전-방전 용량이 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 캐소드 물질은 제시된 사이클 범위에 걸쳐 260 mAh/g의 방전 용량을 나타내고, 방전 속도는 실시예 1에 기술된 바와 같이 나중 사이클에서 다양하였다.The coin cell battery was assembled in an argon filled dry box using 1 M LiPF 6 . Graphite carbon coated on copper foil is used as the cathode and a triple layer (polypropylene / polyethylene / polypropylene) micro-porous separator (2320 from Celgard, LLC, NC) is placed between the anode and the cathode It was. This battery cell was cycled at room temperature at C / 10 rate, ie, the rate at which the battery cell was discharged and charged in 10 hours. The battery cells were tested for performance with a Maccor Battery Cell Tester. 3 shows the charge-discharge capacity of a coin cell battery between 4.55 V charge and 2.5 V discharge cutoff. As shown in FIG. 3, the cathode material exhibited a discharge capacity of 260 mAh / g over the given cycle range, and the discharge rate varied in later cycles as described in Example 1.

실시예Example 3 - 파우치형 전지 배터리 측정으로부터 결정되는  3-determined from pouch cell battery measurement 캐소드Cathode 용량 Volume

상기 실시예는 활성 캐소드 물질의 높은 적재량에 의해 형성시킨 파우치형 전지 배터리에 이용가능한 고 에너지 용량을 입증하고 있다. 실시예 2에 개설된 것과 동일한 구성 및 테스트 접근에 따라 세퍼레이터로 분리된 전극의 적층을 갖는 파우치형 전지 배터리에 맞춰 개조되어 치수 190 mm x 95 mm x 8 mm(용적=0.144 L)를 갖는 파우치형 전지 배터리를 구성하였다. 양극을 병렬로 접속시키고, 음극도 유사하게 병렬로 접속시켰다. 도 5a에는 파우치형 전지 배터리의 전면 사진이 도시되어 있다. 도 5b에는 파우치형 전지 배터리의 측면 사진이 도시되어 있다. 도 5c에는 23 Ah 및 에너지 밀도 250 Wh/kg을 갖는 파우치형 전지 배터리의 방전 곡선이 도시되어 있다.This example demonstrates the high energy capacity available for pouch-type battery batteries formed by high loadings of active cathode material. Pouch type with dimensions 190 mm x 95 mm x 8 mm (volume = 0.14 L) adapted for a pouch-type cell battery having a stack of separators separated by separators according to the same configuration and test approach as outlined in Example 2 The cell battery was constructed. The positive electrodes were connected in parallel, and the negative electrodes were similarly connected in parallel. 5A shows a front photograph of a pouch-type battery battery. 5B shows a side photograph of the pouch-type battery battery. 5C shows the discharge curve of a pouch-type cell battery having 23 Ah and an energy density of 250 Wh / kg.

상기 실시예 1 및 2에 표시된 데이타는 각각 C/10 사이클링 속도에서 리튬 애노드를 사용하여 277 mAh/g의 캐소드 용량 및 탄소 애노드를 사용하여 260 mAh/g의 캐소드 용량을 입증하고 있다. 본원에 논의된 양극은 25 암페어-시간의 실제 배터리 구조를 지원하는 것으로 제시되었고, 그 데이타는 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다. 배터리의 용적 에너지 밀도는 C/10 사이클링 속도에서 550∼650 Wh/l의 범위이다. 비교로서, 상용 LiCoO2를 사용한 성능 결과는 실시예의 캐소드로서 동일한 전극 다공성을 이용하여 사용된 경우 C/10 사이클링 속도에서 425∼525 Wh/l를 산출하는 것으로 나타났다.The data shown in Examples 1 and 2 above demonstrate a cathode capacity of 277 mAh / g using a lithium anode at C / 10 cycling rate and a cathode capacity of 260 mAh / g using a carbon anode, respectively. The anodes discussed herein have been shown to support a 25 amp-hour actual battery structure and the data are shown in Tables 1 and 2 below. The volumetric energy density of the battery is in the range of 550-650 Wh / l at C / 10 cycling speed. As a comparison, performance results using commercial LiCoO 2 have been shown to yield 425-525 Wh / l at C / 10 cycling rates when used using the same electrode porosity as the cathode of the examples.

Figure pct00001
Figure pct00001

Figure pct00002
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상기 구체예는 예시로서 의도되고 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 청구 범위 내에는 또다른 구체예가 존재한다. 또한, 본 발명은 특정 구체예와 관련하여 기술되었지만, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위를 벗어나는 일 없이 형태를 변경하고 구체화시킬 수 있음을 알고 이해할 것이다. 전술된 문헌들의 모든 참고 인용은 본 명세서의 명백한 개시 내용과 상반되는 청구 대상이 인용되지 않도록 제한된다.The above embodiments are intended to be illustrative and not intended to be limiting. There is another embodiment within the claims. In addition, while the present invention has been described in connection with specific embodiments, those skilled in the art will recognize and appreciate that changes may be made in form and specification without departing from the spirit and scope of the invention. All reference citations of the foregoing documents are limited so that the subject matter contrary to the apparent disclosure of this specification is not cited.

Claims (35)

양극 활성 물질 및 결합제를 포함한 양극, 제1 리튬 층간삽입(intercalation) 조성물을 포함한 음극, 리튬 이온을 포함한 전해질, 및 양극과 음극 사이의 세퍼레이터를 포함하는 리튬 이온 2차 배터리로서, 배터리는 4.6 V에서 2.0 V로 방전되는 경우 약 240 Wh/kg 이상의 방전 에너지 밀도(discharge energy density)를 갖고, 양극 활성 물질은 제2 리튬 층간삽입 조성물을 포함하는 것인 리튬 이온 2차 배터리.A lithium ion secondary battery comprising a positive electrode comprising a positive electrode active material and a binder, a negative electrode including a first lithium intercalation composition, an electrolyte including lithium ions, and a separator between the positive electrode and the negative electrode, the battery at 4.6 V. And a discharge energy density of at least about 240 Wh / kg when discharged at 2.0 V, and wherein the positive electrode active material comprises a second lithium intercalation composition. 제1항에 있어서, 양극은 약 92 중량% 이상의 양극 활성 물질을 포함하고, 제2 리튬 층간삽입 조성물은 화학식 xLiMO2·(1-x)Li2M'O3으로 표시되며, 여기서 M은 하나 이상의 3가 금속 이온이고, 하나 이상의 금속 이온은 Mn+3, Co+3 또는 Ni+3이며, M'은 +4의 평균 원자가를 갖는 하나 이상의 금속 이온을 나타내며, 0<x<1인 것인 리튬 이온 2차 배터리.The method of claim 1, wherein the positive electrode comprises at least about 92% by weight of a positive electrode active material, and the second lithium intercalating composition is represented by the formula xLiMO 2 · (1-x) Li 2 M′O 3 , wherein M is one At least one trivalent metal ion, at least one metal ion is Mn + 3 , Co + 3 or Ni + 3 , and M 'represents at least one metal ion having an average valence of +4, wherein 0 <x <1 Lithium ion secondary battery. 제2항에 있어서, 제2 리튬 층간삽입 조성물은 코팅으로서 약 0.1 몰%∼약 10 몰%의 금속 플루오르화물을 추가로 포함하는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 2, wherein the second lithium intercalation composition further comprises from about 0.1 mol% to about 10 mol% metal fluoride as a coating. 제1항에 있어서, 양극은 제2 리튬 층간삽입 조성물과 별개로 약 0.1∼5 중량%의 전기 전도성 물질을 포함하는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 1, wherein the positive electrode comprises about 0.1-5% by weight of an electrically conductive material separately from the second lithium intercalation composition. 제1항에 있어서, 양극은 약 0.5∼7.9 중량%의 중합체 결합제를 포함하는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 1, wherein the positive electrode comprises about 0.5 to 7.9 weight percent of a polymeric binder. 제5항에 있어서, 중합체 결합제는 약 800,000 원자량 단위(atomic mass unit) 이상의 평균 분자량을 갖는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 5, wherein the polymeric binder has an average molecular weight of at least about 800,000 atomic mass units. 제1항에 있어서, 음극은 집전체의 단면 상에 약 65 미크론∼약 200 미크론의 두께를 갖는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 1, wherein the negative electrode has a thickness of about 65 microns to about 200 microns on the cross section of the current collector. 제1항에 있어서, 배터리는 적어도 약 250 Wh/kg∼550 Wh/kg의 방전 에너지 밀도를 갖는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 1, wherein the battery has a discharge energy density of at least about 250 Wh / kg to 550 Wh / kg. 제1항에 있어서, 약 550 Wh/l 이상의 용적 방전 에너지 밀도(volumetric discharge energy density)를 갖는 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 1 having a volumetric discharge energy density of at least about 550 Wh / l. 양극, 제1 리튬 층간삽입 조성물을 포함한 음극 및 양극과 음극 사이의 세퍼레이터를 포함하는 리튬 이온 2차 배터리로서,
양극은 약 92 중량% 이상의 양극 활성 물질, 약 0.1∼5 중량%의 전기 전도성 물질 및 약 0.5∼7.9 중량%의 중합체 결합제를 포함하고;
양극 활성 물질은 화학식 xLiMO2·(1-x)Li2M'O3으로 표시되는 제2 리튬 층간삽입 조성물을 포함하며, 여기서 M은 하나 이상의 3가 금속 이온이고, 하나 이상의 금속 이온은 Mn+3, Co+3 또는 Ni+3이며, M'은 +4의 평균 원자가를 갖는 하나 이상의 금속 이온을 나타내며, 0<x<1이며, 임의의 불소 도펀트는 화학식 내 산소 약 1 원자% 이하로 치환할 수 있고;
양극의 밀도는 약 2.5 g/㎖ 이상인 것인 리튬 이온 2차 배터리.
A lithium ion secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode including a first lithium intercalation composition, and a separator between the positive electrode and the negative electrode,
The positive electrode comprises at least about 92% by weight of positive electrode active material, from about 0.1 to 5% by weight of electrically conductive material and from about 0.5 to 7.9% by weight of a polymeric binder;
The positive electrode active material comprises a second lithium intercalating composition represented by the formula xLiMO 2 · (1-x) Li 2 M'O 3 , wherein M is one or more trivalent metal ions and one or more metal ions is Mn + 3 , Co +3 or Ni +3 , M 'represents one or more metal ions having an average valence of +4, 0 <x <1, and any fluorine dopant is substituted with about 1 atomic percent or less oxygen in the formula Can do it;
The density of the positive electrode is about 2.5 g / ㎖ or more lithium ion secondary battery.
제10항에 있어서, 제2 리튬 층간삽입 조성물은 화학식 Li1 + xNiαMnβCoγO2로 표시되며, 여기서 x는 약 0.05∼약 0.25의 범위이며, α는 약 0.1∼약 0.4의 범위이고, β는 약 0.4∼약 0.65의 범위이며, 그리고 γ는 약 0.05∼약 0.3의 범위인 것인 리튬 이온 2차 배터리.The composition of claim 10, wherein the second lithium intercalation composition is represented by the formula Li 1 + x Ni α Mn β Co γ O 2 , wherein x ranges from about 0.05 to about 0.25 and α is from about 0.1 to about 0.4 In the range from about 0.4 to about 0.65, and γ in the range from about 0.05 to about 0.3. 제10항에 있어서, 양극 물질은 코팅으로서 약 0.1 몰%∼약 10 몰%의 금속 플루오르화물을 추가로 포함하는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 10, wherein the positive electrode material further comprises from about 0.1 mol% to about 10 mol% metal fluoride as a coating. 제12항에 있어서, 금속 플루오르화물은 AlF3을 포함하는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 12, wherein the metal fluoride comprises AlF 3 . 제10항에 있어서, 제2 리튬 층간삽입 조성물은 화학식 Li1 + xNiαMnβCoγM"δO2 -z/2Fz로 표시되며, 여기서 x는 약 0.05∼약 0.25의 범위이며, α는 약 0.1∼약 0.4의 범위이고, β는 약 0.4∼약 0.65의 범위이며, γ는 약 0.05∼약 0.3의 범위이고, δ는 약 0∼약 0.1의 범위이며, z는 약 0∼약 0.1의 범위이고, M"은 Mg, Zn, Al, Ga, B, Zr, Ti, Ca, Ce, Y, Nb 또는 이들의 조합물인 것인 리튬 이온 2차 배터리.The composition of claim 10, wherein the second lithium intercalation composition is represented by the formula Li 1 + x Ni α Mn β Co γ M ″ δ O 2 -z / 2 F z , wherein x ranges from about 0.05 to about 0.25 α is in the range of about 0.1 to about 0.4, β is in the range of about 0.4 to about 0.65, γ is in the range of about 0.05 to about 0.3, δ is in the range of about 0 to about 0.1, and z is about 0 to In the range of about 0.1 and M ″ is Mg, Zn, Al, Ga, B, Zr, Ti, Ca, Ce, Y, Nb, or a combination thereof. 제10항에 있어서, 음극은 흑연, 합성 흑연, 경질 탄소, 흑연 코팅된 금속 호일, 코크스 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 10, wherein the negative electrode comprises graphite, synthetic graphite, hard carbon, graphite coated metal foil, coke, or a combination thereof. 제10항에 있어서, 세퍼레이터는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 세라믹-중합체 복합재 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 10, wherein the separator comprises polyethylene, polypropylene, ceramic-polymer composite, or a combination thereof. 제10항에 있어서, 세퍼레이터는 폴리에틸렌-폴리프로필렌-폴리에틸렌 3중층 막을 포함하는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 10, wherein the separator comprises a polyethylene-polypropylene-polyethylene triple layer membrane. 제10항에 있어서, 전기 전도성 물질은 흑연, 카본 블랙, 금속 분말, 금속 섬유 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 10, wherein the electrically conductive material comprises graphite, carbon black, metal powder, metal fiber, or a combination thereof. 제10항에 있어서, 중합체 결합제는 폴리비닐리딘 플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아크릴레이트, 에틸렌-(프로필렌-디엔 단량체) 공중합체(EPDM), 및 이들의 혼합물 및 공중합체를 포함하는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The polymer binder according to claim 10, wherein the polymer binder is polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene oxide, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylate, ethylene- (propylene-diene monomer) copolymer (EPDM), And mixtures and copolymers thereof. 제10항에 있어서, 배터리는 케이싱 내에 세퍼레이터에 의해 분리된 각각 극성을 지닌 복수의 전극을 포함하는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 10, wherein the battery comprises a plurality of electrodes each having a polarity separated by a separator in the casing. 제20항에 있어서, 전극 및 세퍼레이터는 케이싱 내부에 적층, 젤-롤링(jelly-rolled) 또는 폴딩되는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 20, wherein the electrodes and separators are stacked, jelly-rolled, or folded inside the casing. 제20항에 있어서, 케이싱은 중합체 필름, 금속 호일, 금속 캔 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 20, wherein the casing comprises a polymer film, a metal foil, a metal can, or a combination thereof. 제20항에 있어서, 케이싱은 프리즘 형상인 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 20 wherein the casing is prismatic. 제20항에 있어서, 케이싱은 원통 형상인 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 20, wherein the casing is cylindrical in shape. 제10항에 있어서, 배터리는 4.6 V에서 2.0 V로 방전되는 경우 약 250 Wh/kg 이상의 방전 에너지 밀도를 갖는 것인 리튬 이온 2차 배터리.The lithium ion secondary battery of claim 10, wherein the battery has a discharge energy density of at least about 250 Wh / kg when discharged from 4.6 V to 2.0 V. 12. 리튬 이온 2차 배터리를 형성시키는 방법으로서,
방법은 양극, 음극 및 세퍼레이터를 조립하여 약 240 Wh/kg 이상의 방전 에너지 밀도를 갖는 배터리를 형성시키는 단계를 포함하고,
세퍼레이터는 양극과 음극 사이에 삽입되며,
양극은 양극 활성 물질 및 결합제를 포함하고, 양극 활성 물질은 리튬 층간삽입 조성물을 포함하며,
양극의 밀도는 약 2.5 g/㎖ 이상인 것인 방법.
A method of forming a lithium ion secondary battery,
The method includes assembling a positive electrode, a negative electrode, and a separator to form a battery having a discharge energy density of about 240 Wh / kg or more,
The separator is inserted between the positive electrode and the negative electrode,
The positive electrode comprises a positive electrode active material and a binder, the positive electrode active material comprises a lithium intercalation composition,
And the density of the anode is at least about 2.5 g / ml.
제26항에 있어서, 양극은 집전체 상에 결합제를 사용하여 양극의 양극 활성 물질을 코팅시킴으로써 형성시키고, 양극은 약 92 중량% 이상의 양극 활성 물질을 포함하며, 리튬 층간삽입 조성물은 화학식 xLiMO2·(1-x) Li2M'O3에 의해 표시되며, 여기서 M은 하나 이상의 3가 금속 이온이고, 하나 이상의 금속 이온은 Mn+3, Co+3 또는 Ni+3이고, M'은 +4의 평균 원자가를 갖는 하나 이상의 금속 이온을 나타내며, 0<x<1인 것인 방법.Of claim 26, wherein the positive electrode was formed by coating a positive electrode active material of a positive electrode using a binder to a current collector, a positive electrode comprising a positive active material of at least about 92% by weight, the lithium intercalation composition formula xLiMO 2 · Represented by (1-x) Li 2 M'O 3 , where M is one or more trivalent metal ions, one or more metal ions is Mn +3 , Co +3 or Ni +3 , and M 'is +4 At least one metal ion having an average valence of 0 <x <1. 제27항에 있어서, 집전체는 금속 호일, 금속 그리드(metal grid) 또는 전신 금속(expanded metal)을 포함하는 것인 방법.28. The method of claim 27, wherein the current collector comprises a metal foil, a metal grid, or an expanded metal. 제27항에 있어서, 집전체는 니켈, 알루미늄, 스테인레스 강, 구리 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 방법.The method of claim 27, wherein the current collector comprises nickel, aluminum, stainless steel, copper, or a combination thereof. 제26항에 있어서, 양극은 약 0.1∼5 중량%의 전기 전도성 물질을 추가로 포함하는 것인 방법.27. The method of claim 26, wherein the anode further comprises about 0.1-5 weight percent electrically conductive material. 제26항에 있어서, 양극은 약 0.5∼7.9 중량%의 중합체 결합제를 포함하는 것인 방법.27. The method of claim 26, wherein the positive electrode comprises about 0.5 to 7.9 weight percent polymer binder. 제26항에 있어서, 결합제는 약 800,000 원자량 단위 이상의 평균 분자량을 갖는 중합체인 것인 방법.The method of claim 26, wherein the binder is a polymer having an average molecular weight of at least about 800,000 atomic weight units. 제26항에 있어서, 음극은 집전체의 단면 상에 약 65 미크론∼약 200 미크론의 두께를 갖는 것인 방법.27. The method of claim 26, wherein the negative electrode has a thickness of about 65 microns to about 200 microns on the cross section of the current collector. 제26항에 있어서, 배터리는 4.6 V에서 2.0 V로 방전되는 경우 약 250 Wh/kg 이상의 방전 에너지 밀도를 갖는 것인 방법.27. The method of claim 26, wherein the battery has a discharge energy density of at least about 250 Wh / kg when discharged from 4.6 V to 2.0 V. 양극, 제1 리튬 층간삽입 조성물을 포함한 음극 및 양극과 음극 사이의 세퍼레이터를 포함하는 리튬 이온 2차 배터리로서,
양극은 양극 활성 물질 약 92 중량% 이상, 전기 전도성 물질 약 0.1∼5 중량% 및 PVDF를 포함한 중합체 결합제 약 0.5∼7.9 중량%를 포함하고;
중합체 결합제는 약 800,000 원자량 단위 이상의 평균 분자량을 갖는 것인 리튬 이온 2차 배터리.
A lithium ion secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode including a first lithium intercalation composition, and a separator between the positive electrode and the negative electrode,
The positive electrode comprises at least about 92% by weight of the positive electrode active material, about 0.1 to 5% by weight of the electrically conductive material and about 0.5 to 7.9% by weight of the polymeric binder including PVDF;
And the polymeric binder has an average molecular weight of at least about 800,000 atomic weight units.
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